Name: Cystografia fotoakustyczna (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-06-11T12:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 49 s
Description: Poznaj fotoakustyczną cystografię w celu bezpiecznego obrazowania pęcherza moczowego u szczurów. Ta nieinwazyjna metoda wykorzystuje niejonizujące promieniowanie i nietoksyczne środki kontrastowe, oferując obiecującą alternatywę dla badań pediatrycznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była częściowo wspierana przez grant z programu badań pilotażowych Centrum Badań Klinicznych i Translacyjnych Uniwersytetu w Buffalo oraz Buffalo Translational Consortium, grant od Roswell Park Alliance Foundation, fundusze startowe z Uniwersytetu w Buffalo, IT Consilience Creative Program of MKE i NIPA (C1515-1121-0003) oraz grant NRF MEST (2012-0009249).

1. System cystografii fotoakustycznej (PAC) w trybie głębokiego odbicia
<ol>
	<li>Konfiguracja systemu17, 18
	<ol>
		<li>Laser Nd:YAG z przełączaniem Q (SLII-10; Kontinuum; 532 nm) pompuje laser o regulowanej długości fali (Surelite OPO PLUS; Kontinuum; zakres regulacji długości fali: od 680 do 2 500 nm).</li>
		<li>Czas trwania impulsu każdego strzału laserowego wynosi ~5 nsec, a częstotliwość powtarzania lasera to 10 Hz.</li>
		<li>Długość fali zależy od piku absorpcji optycznej zastosowanego środka kontrastowego. Jeśli błękit metylenowy służy jako środek kontrastowy, stosuje się długość fali optycznej 667 nm, gdzie występuje absorpcja szczytowa. Plazmoniczne nanostruktury złota mogą mieć przestrajalny zlokalizowany powierzchniowy rezonans plazmonowy w obszarze widmowym NIR, w oparciu o ich właściwości fizyczne i chemiczne. Co więcej, szerokie spektrum absorpcyjne jednościennych nanorurek węglowych może zapewnić szeroką opcję wyboru długości fali.</li>
		<li>Światło wychodzące z przestrajalnego lasera jest dostarczane do sferycznej soczewki stożkowej przez pryzmaty kąta prostego (PS908, Thorlabs).</li>
		<li>Wzór wiązki światła w kształcie pączka jest generowany po przejściu światła przez sferyczną soczewkę stożkową. Domowa soczewka stożkowa wykonana jest z soczewki BK7, a kąt stożka wynosi 152°. Średnica soczewki wynosi 2,5 cm.</li>
		<li>Rozchodząca się wiązka światła w kształcie pączka jest przekierowywana przez kondensator optyczny, wykonany z przezroczystego arkusza akrylowego. Średnice górnej i dolnej powierzchni wynoszą odpowiednio 6,1 i 4,8 cm. Grubość skraplacza wynosi 2,5 cm. Przekierowana wiązka światła w kształcie pierścienia tworzy na powierzchni tkanki kształt pączka z ciemnym środkiem.</li>
		<li>Wykorzystaj mały pojemnik na wodę, aby wzmocnić sprzężenie akustyczne. Pojemnik na wodę ma dolny otwór owinięty przezroczystą cienką folią polietylenową, która jest optycznie i akustycznie przezroczysta. Małe zwierzęta są umieszczane pod pojemnikiem na wodę.</li>
		<li>Generowane fale PA są wykrywane przez sferycznie zogniskowany przetwornik ultradźwiękowy (V308; Olympus NDT; 5 MHz częstotliwości centralnej), który jest zamontowany w środku kondensatora optycznego. Średnica elementu i ogniskowa przetwornika wynoszą odpowiednio 1,9 i 2,5 cm. Zatem liczba f przetwornika wynosi ~1,3.</li>
		<li>Rozdzielczość poprzeczna i osiowa wynoszą odpowiednio 590 i 144 μm.</li>
		<li>Wykryte fale PA są najpierw wzmacniane przez szerokopasmowy impulsator/odbiornik ultradźwiękowy (5072PR; Olympus NDT; Szerokość pasma 35 MHz i wzmocnienie RF 59 dB), a następnie uzyskane za pomocą oscyloskopu (TDS5054; Tektronix).</li>
		<li>Uzyskaj jednowymiarowe obrazy rozdzielcze w czasie (zwane linią A), mierząc czasy nadejścia fal PA. Obecnie przyjmuje się, że prędkość fal PA wynosi 1480 m/s w całej akwizycji obrazu. Dwu- (zwane B-skanami) i trójwymiarowe obrazy PA można uzyskać, mechanicznie przesuwając liniowy stolik skanowania rastrowego (XY6060; Danaher Dover).</li>
		<li>Czas obrazowania wynosi ~25 min dla jednego wolumetrycznego obrazu PA o pojedynczej długości fali o polu widzenia (FOV) 2,5 x 2,4x 1,5cm3 w płaszczyznach x-y-z. Pobraliśmy 125 próbek wzdłuż kierunku x z krokiem 0,2 mm, 60 próbek wzdłuż kierunku y z krokiem 0,4 mm. Uzyskano 500 punktów danych z częstotliwością próbkowania 50 MHz wzdłuż kierunku z. Skanowanie mechaniczne jest kontrolowane przez domowy system oprogramowania NI LabVIEW.</li>
		<li>Dane objętościowe są reprezentowane przez projekcję maksymalnej amplitudy (MAP) za pomocą systemu oprogramowania MathWorks MATLAB.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyrównanie systemu
	<ol>
		<li>Po sferycznej soczewce stożkowej upewnij się, że wzór wiązki ma idealny kształt pierścienia. Jeśli wzór wiązki w kształcie pączka nie jest prawidłowo generowany, dominujące są sygnały PA pochodzące z powierzchni skóry. W związku z tym trudno jest uzyskać głębokie obrazowanie tkanek.</li>
		<li>Skupienie światła w kształcie linii w wodzie powinno być współosiowo wyrównane ze strefą ogniskową ultradźwięków. Jeśli nie są one wyrównane współosiowo, system cierpi z powodu niskiego stosunku sygnału do szumu.</li>
		<li>Energia napromieniowanego impulsu laserowego na powierzchni skóry waha się od ~1 - 2 mJ/cm2, gdy długość fali jest dostrojona odpowiednio od 680 do 1,000 nm. Te energie impulsów laserowych są znacznie niższe niż limit bezpieczeństwa American National Standards Institute i wahają się odpowiednio od 20 do 80 mJ/cm2 w całym zakresie widmowym.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Procedury obrazowania in vivo i ex vivo 
<ol>
	<li>Przygotowanie zwierząt
	<ol>
		<li>We wszystkich eksperymentach obrazowania PA należy używać samic szczurów Spraque-Dawley o masie ciała 200 - 250 g.</li>
		<li>Na początek znieczulij szczura przez dootrzewnowe wstrzyknięcie mieszaniny ketaminy (85 mg/kg masy ciała) i ksylazyny (15 mg/kg).</li>
		<li>Zrób depilację włosów w okolicy brzucha.</li>
		<li>Umieść szczura na szczycie wykonanego na zamówienie uchwytu na zwierzęta.</li>
		<li>Pokryj cewnik o rozmiarze 22 smarem, aby poprawić wprowadzanie cewnika.</li>
		<li>Trzymaj cewnik pionowo nad otworem cewki moczowej. Następnie włóż dystalny koniec cewnika poziomo do cewki moczowej, aż piasta cewnika w końcu dotrze do otworu.</li>
		<li>Mocz w pęcherzu moczowym będzie odprowadzany przez cewnik.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Obrazowanie PAC in vivo
	<ol>
		<li>Umieść szczura, znajdującego się na górze uchwytu na zwierzę, poniżej pojemnika na wodę w systemie PAC.</li>
		<li>Nałóż żel ultradźwiękowy (Sonotech) między powierzchnię skóry zwierzęcia a membranę z tworzywa sztucznego, aby poprawić sprzężenie akustyczne.</li>
		<li>W pełni znieczulić szczura za pomocą odparowanego izofluranu (1 l / min tlenu i 0,75% izofluranu) podczas eksperymentów obrazowania PA in vivo.</li>
		<li>Uzyskaj kontrolny obraz PA przed wstrzyknięciem środków kontrastowych.</li>
		<li>Wprowadzić do pęcherza moczowego przez cewnik wodny roztwór błękitu metylenowego (0,8 μl/g masy ciała o stężeniu 30 mM), złotych nanokątek (1,2 μl/g masy ciała o stężeniu 2 nM) lub jednościennych nanorurek węglowych (0,8 μl/g masy ciała o stężeniu 0,3 μM). Użyj strzykawki o pojemności 1 ml z cewnikiem o rozmiarze 22.</li>
		<li>Zrób serię obrazów PA.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Obrazowanie PAC ex vivo
	<ol>
		<li>Ofiarować szczura po obrazowaniu PAC in vivo, wstrzykując nadmiar pentobarbitalu.</li>
		<li>Usuń dwa główne narządy, pęcherze i nerki, aby zbadać biodystrybucję, i na szklanej płytce.</li>
		<li>Umieść szklaną płytkę pod zbiornikiem na wodę w systemie PAC.</li>
		<li>Nałożyć żel ultradźwiękowy (Sonotech) między wycięte narządy a plastikową membranę, aby poprawić sprzężenie akustyczne.</li>
		<li>Pozyskiwanie obrazów PA.</li>
		<li>Fotoakustycznie zobrazuj narządy pobrane od zdrowego szczura jako kontrolę.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Riccabona, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cystography+in+infants+and+children%3A+a+critical+appraisal+of+the+many+forms+with+special+regard+to+voiding+cystourethrography%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+Radiol%22%5BJournal%5D)">Cystography in infants and children: a critical appraisal of the many forms with special regard to voiding cystourethrography.</a> Eur. Radiol. 12 (12), 2910-2918 (2002).</li>
<li>Khattar, N., Dorairajan, L. N., Kumar, S., Pal, B. C., Elangovan, S., Nayak, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Giant+obstructive+megaureter+causing+contralateral+ureteral+obstruction+and+hydronephrosis%3A+a+first-time+report%5BTitle%5D)+AND+%22Urology%22%5BJournal%5D)">Giant obstructive megaureter causing contralateral ureteral obstruction and hydronephrosis: a first-time report.</a> Urology. 74 (6), 1306-1308 (2009).</li>
<li>Lim, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vesicoureteral+reflux+and+urinary+tract+infection%3A+evolving+practices+and+current+controversies+in+pediatric+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22AJR+Am.+J.+Roentgenol%22%5BJournal%5D)">Vesicoureteral reflux and urinary tract infection: evolving practices and current controversies in pediatric imaging.</a> AJR Am. J. Roentgenol. 192 (5), 1197-1208 (2009).</li>
<li>Scardapane, A., Pagliarulo, V., Ianora, A. A., Pagliarulo, A., Angelelli, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contrast-enhanced+multislice+pneumo-CT-cystography+in+the+evaluation+of+urinary+bladder+neoplasms%5BTitle%5D)+AND+%22Eur.+J.+Radiol%22%5BJournal%5D)">Contrast-enhanced multislice pneumo-CT-cystography in the evaluation of urinary bladder neoplasms.</a> Eur. J. Radiol. 66 (2), 246-252 (2008).</li>
<li>Verpoorten, C., Buyse, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+neurogenic+bladder%3A+medical+treatment%5BTitle%5D)+AND+%22Pediatr.+Nephrol%22%5BJournal%5D)">The neurogenic bladder: medical treatment.</a> Pediatr. Nephrol. 23 (5), 717-725 (2008).</li>
<li>Ron, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Let%27s+not+relive+the+past%3A+a+review+of+cancer+risk+after+diagnostic+or+therapeutic+irradiation%5BTitle%5D)+AND+%22Pediatr.+Radiol%22%5BJournal%5D)">Let's not relive the past: a review of cancer risk after diagnostic or therapeutic irradiation.</a> Pediatr. Radiol. 32 (10), 739-744 (2002).</li>
<li>Berrington De Gonzalez, A., Darby, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Risk+of+cancer+from+diagnostic+X-rays%3A+estimates+for+the+UK+and+14+other+countries%5BTitle%5D)+AND+%22Lancet%22%5BJournal%5D)">Risk of cancer from diagnostic X-rays: estimates for the UK and 14 other countries.</a> Lancet. 363 (9406), 345-351 (2004).</li>
<li>Kim, C., Favazza, C., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+photoacoustic+tomography+of+chemicals%3A+high-resolution+functional+and+molecular+optical+imaging+at+new+depths%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">In vivo photoacoustic tomography of chemicals: high-resolution functional and molecular optical imaging at new depths.</a> Chem. Rev. 110 (5), 2756-2782 (2010).</li>
<li>Ke, H., Erpelding, T. N., Jankovic, L., Liu, C., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+characterization+of+an+integrated+ultrasound%2C+photoacoustic%2C+and+thermoacoustic+imaging+system%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomed.+Opt%22%5BJournal%5D)">Performance characterization of an integrated ultrasound, photoacoustic, and thermoacoustic imaging system.</a> J. Biomed. Opt. 17 (5), 056010(2012).</li>
<li>Akers, W. J., Kim, C., Berezin,, et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+Photoacoustic+and+Fluorescence+Sentinel+Lymph+Node+Identification+using+Dye-Loaded+Perfluorocarbon+Nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Nano%22%5BJournal%5D)">Noninvasive Photoacoustic and Fluorescence Sentinel Lymph Node Identification using Dye-Loaded Perfluorocarbon Nanoparticles.</a> Acs Nano. 5 (1), 173-182 (2011).</li>
<li>Jiao, S. L., Jiang, M. S., Hu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+ophthalmoscopy+for+in+vivo+retinal+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging.</a> Opt. Express. 18 (4), 3967-3972 (2010).</li>
<li>Kim, C., Cho, E. C., Chen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+molecular+photoacoustic+tomography+of+melanomas+targeted+by+bioconjugated+gold+nanocages%5BTitle%5D)+AND+%22Acs+Nano%22%5BJournal%5D)">In vivo molecular photoacoustic tomography of melanomas targeted by bioconjugated gold nanocages.</a> Acs Nano. 4 (8), 4559-4564 (2010).</li>
<li>Kim, C., Song, H. M., Cai, X., Yao, J., Wei, A., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+photoacoustic+mapping+of+lymphatic+systems+with+plasmon-resonant+nanostars%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mater.+Chem%22%5BJournal%5D)">In vivo photoacoustic mapping of lymphatic systems with plasmon-resonant nanostars.</a> J. Mater. Chem. 21 (9), 2841-2844 (2011).</li>
<li>Wang, X., Pang, Y., Ku, G., Xie, X., Stoica, G., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+laser-induced+photoacoustic+tomography+for+structural+and+functional+in+vivo+imaging+of+the+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain.</a> Nat. Biotechnol. 21 (7), 803-806 (2003).</li>
<li>Xie, Z., Roberts, W., Carson, P., Liu, X., Tao, C., Wang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+bladder+microvasculature+with+high-resolution+photoacoustic+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Evaluation of bladder microvasculature with high-resolution photoacoustic imaging.</a> Opt. Lett. 36 (24), 4815-4817 (2011).</li>
<li>Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+photoacoustic+microscopy+for+high-resolution+and+noninvasive+in+vivo+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging.</a> Nat. Biotechnol. 24 (7), 848-851 (2006).</li>
<li>Kim, C., Jeon, M., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonionizing+photoacoustic+cystography+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nonionizing photoacoustic cystography in vivo.</a> Opt. Lett. 36 (18), 3599-3601 (2011).</li>
<li>Homan, K., Kim, S., Chen, Y. S., Wang, B., Mallidi, S., Emelianov, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prospects+of+molecular+photoacoustic+imaging+at+1064+nm+wavelength%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Prospects of molecular photoacoustic imaging at 1064 nm wavelength.</a> Opt. Lett. 35 (15), 2663-2665 (2010).</li>
<li>Chang, S. L., Shortliffe, L. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pediatric+urinary+tract+infections%5BTitle%5D)+AND+%22Pediatr.+Clin.+N.+Am%22%5BJournal%5D)">Pediatric urinary tract infections.</a> Pediatr. Clin. N. Am. 53 (3), 379(2006).</li>
<li>Stratton, K. L., Pope, J. C., Adams, M. C., Brock, J. W., Thomas, J. C. Implications of Ionizing Radiation in the Pediatric Urology. 183 (6), 2137-2142 (2010).</li>
<li>Ermilov, S. A., Khamapirad, T., Conjusteau, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+optoacoustic+imaging+system+for+detection+of+breast+cancer%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomed.+Opt%22%5BJournal%5D)">Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer.</a> J. Biomed. Opt. 14 (2), 024007(2009).</li>
<li>Erpelding, T. N., Kim, C., Pramanik, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sentinel+lymph+nodes+in+the+rat%3A+noninvasive+photoacoustic+and+US+imaging+with+a+clinical+US+system%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Sentinel lymph nodes in the rat: noninvasive photoacoustic and US imaging with a clinical US system.</a> Radiology. 256 (1), 102-110 (2010).</li>
<li>Kim, C., Erpelding, T. N., Jankovic, L., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+benchmarks+of+an+array-based+hand-held+photoacoustic+probe+adapted+from+a+clinical+ultrasound+system+for+non-invasive+sentinel+lymph+node+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Philos.+Transact.+A.+Math+Phys.+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">Performance benchmarks of an array-based hand-held photoacoustic probe adapted from a clinical ultrasound system for non-invasive sentinel lymph node imaging.</a> Philos. Transact. A. Math Phys. Eng. Sci. 369 (1955), 4644-4650 (1955).</li>
<li>Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sentinel+lymph+nodes+and+lymphatic+vessels%3A+noninvasive+dual-modality+in+vivo+mapping+by+using+indocyanine+green+in+rats--volumetric+spectroscopic+photoacoustic+imaging+and+planar+fluorescence+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Sentinel lymph nodes and lymphatic vessels: noninvasive dual-modality in vivo mapping by using indocyanine green in rats--volumetric spectroscopic photoacoustic imaging and planar fluorescence imaging.</a> Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).</li>
<li>Kruger, R. A., Kiser, W. L., Reinecke, D. R., Kruger, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermoacoustic+computed+tomography+using+a+conventional+linear+transducer+array%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Physics%22%5BJournal%5D)">Thermoacoustic computed tomography using a conventional linear transducer array.</a> Medical Physics. 30 (5), 856-860 (2003).</li>
<li>Kruger, R. A., Lam, R. B., Reinecke, D. R., Del Rio, S. P., Doyle, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+angiography+of+the+breast%5BTitle%5D)+AND+%22Med.+Phys%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic angiography of the breast.</a> Med. Phys. 37 (11), 6096-6100 (2010).</li>
<li>Manohar, S., Kharine, A., Van Hespen, J. C., Steenbergen, W., Van Leeuwen, T. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Twente+Photoacoustic+Mammoscope%3A+system+overview+and+performance%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Med.+Biol%22%5BJournal%5D)">The Twente Photoacoustic Mammoscope: system overview and performance.</a> Phys. Med. Biol. 50 (11), 2543-2557 (2005).</li>
</ol>

Wszystkie eksperymenty na zwierzętach były zgodne z zaleceniami Uniwersytetu Stanowego Nowego Jorku w Buffalo Institutional Animal Care and Use Committee. Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podsumowując, pokazaliśmy możliwość niejonizacji PAC za pomocą nietoksycznych absorberów optycznych w modelu szczurzym in vivo. Udało nam się zobrazować pęcherz szczura wypełniony absorbentami optycznymi przy użyciu naszego niejonizującego i nieinwazyjnego systemu PAC. W naszym podejściu rozwiązano dwie krytyczne kwestie bezpieczeństwa: (1) wykorzystanie promieniowania niejonizującego do zastosowań cystograficznych oraz (2) brak akumulacji środków kontrastowych w organizmie.
Nasze zai...

Cystografia rentgenowska1 to proces obrazowania do identyfikacji chorób związanych z pęcherzem, takich jak rak pęcherza moczowego, refluks pęcherzowo-moczowodowy, zablokowanie moczowodów, pęcherz neurogenny, itp. 2-5 Zazwyczaj mocz jest oddawany w mocz, a przez cewnik wstrzykiwany jest środek nieprzezroczysty dla promieni rentgenowskich. Następnie wykonywane są fluoroskopowe obrazy rentgenowskie w celu wyznaczenia pęcherzy moczowych. Jednak kluczową kwestią bezpieczeństwa jest to, że w tej procedurze stosuje się szkodliwe promieniowanie jonizujące. Odsetek skumulowanego ryzyka zachorowania na raka do 75 roku życia w wyniku diagnostycznych zdjęć rentgenowskich waha się od 0,6 do 1,8%. 6 Ponadto zagrożenie rakotwórcze jest znaczne u pacjentów pediatrycznych. Badanie przeprowadzone w Wielkiej Brytanii wykazało, że spośród 9 głównych narządów wewnętrznych, średnia roczna dawka promieniowania z diagnostycznych promieni rentgenowskich była najwyższa w pęcherzu moczowym u dzieci płci żeńskiej poniżej 4 roku życia i druga co do wielkości u dzieci płci męskiej poniżej 4 roku życia. 7 Wskazuje to, że ryzyko raka pęcherza moczowego jest największe u pacjentów pediatrycznych. Chociaż radiolodzy dziecięcy dążą do zmniejszenia narażenia na promieniowanie tak nisko, jak jest to racjonalnie osiągalne, nie można całkowicie wykluczyć promieniowania jonizującego. W związku z tym ograniczenie stwarza potrzebę całkowicie wolnej od promieniowania, czułej, opłacalnej i wysokorozdzielczej metody obrazowania z nieradioaktywnymi środkami kontrastowymi w cystografii.
Ostatnio, tomografia fotoakustyczna (PAT) stała się główną metodą obrazowania biomedycznego, ponieważ PAT może zapewnić silne kontrasty absorpcji optycznej i wysoką rozdzielczość przestrzenną ultradźwięków w tkankach biologicznych. 8 Zasada działania PAT polega na tym, że fale ultradźwiękowe są indukowane w wyniku termoelastycznego rozszerzania się celu, po którym następuje absorpcja światła. Poprzez detekcję czasowo rozdzielczych fal akustycznych rozchodzących się przez ośrodek, powstają dwu- lub trójwymiarowe obrazy fotoakustyczne (PA). Ponieważ ultradźwięki (US) są znacznie mniej rozproszone w tkankach w porównaniu ze światłem (zwykle dwa lub trzy rzędy wielkości), głębokość obrazowania PAT może sięgać nawet ~8 cm w tkankach, podczas gdy rozdzielczość przestrzenna jest utrzymywana na poziomie 1/200 głębokości obrazowania. 9 Do najważniejszych zalet PAT w zastosowaniach cystograficznych należą: (1) PAT jest całkowicie wolny od promieniowania jonizującego. (2) Systemy obrazowania klinicznego US można łatwo dostosować do dostarczania dwumodalnych możliwości obrazowania PA i US. W związku z tym dwumodalny system obrazowania PA/US może być stosunkowo przenośny, ekonomiczny i szybki, co jest kluczowym kryterium szybkiej translacji klinicznej. Wykorzystując zarówno kontrasty endogenne, jak i egzogenne, PAT zapewnił obrazowanie morfologiczne, funkcjonalne i molekularne tkanek w wysokiej rozdzielczości w celu zbadania fizjopatologii guza, hemodynamiki mózgu, narządów wewnętrznych, okulistyki, angiografii itp. 10-16
W tym artykule demonstrujemy eksperymentalne protokoły niejonizującej cystropografii fotoakustycznej (PAC) przy użyciu absorbentów optycznych bliskiej podczerwieni (NIR) (np. błękitu metylenowego, nanoklatek złotych lub jednościennych nanorurek węglowych) jako nietoksycznych znaczników mętności optycznej. Pęcherze szczurów wypełnione środkami kontrastowymi zostały oznaczone fotoakustycznie i spektroskopowo in vivo. W pęcherzach i nerkach szczurów nie gromadziły się trwale żadne środki. W ten sposób można wykluczyć toksyczność długotrwałą, która może być spowodowana nagromadzeniem środka. Wynik ten sugeruje, że PAC w połączeniu z absorberami optycznymi może być potencjalnie nieszkodliwą metodą cystograficzną dla pacjentów pediatrycznych. W tym artykule omówiono konfigurację systemu, wyrównanie systemu oraz procedury obrazowania in vivo / ex vivo.

<table><tbody><tr><td>Q-switched Nd:YAG laser</td><td>Continuum</td><td>SLII-10</td><td>pompa</td></tr><tr><td>laser OPO</td><td>Continuum</td><td>Surelite OPO PLUS</td><td>przestrajalny laser</td></tr><tr><td>Pryzmaty</td><td>Thorlabs</td><td>PS908</td><td>światło dostarczają</td></tr><tr><td>Przetwornik ultradźwiękowy</td><td>Olympus NDT</td><td>V308</td><td>5 MHz</td></tr><tr><td>Ultraoundpulser/odbiornik</td><td>Wzmacniacz Olympus NDT</td><td>5072PR</td><td></td></tr><tr><td>Oscyloskop</td><td>Tektronix</td><td>TDS5054</td><td>akwizycja danych</td></tr><tr><td>Etap skanowania</td><td>Danaher Dover</td><td>XY6060</td><td>skanowanie rastrowe</td></tr><tr><td>Błękit metylenowy</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M9140-25G</td><td></td></tr><tr><td>środek kontrastowy Szczury</td><td>Harlan</td><td>Spague-Dawley</td><td>zwierzę temat</td></tr><tr><td>Waporyzator izoflouran</td><td>Euthanex</td><td>EZ-155</td><td>znieczulenie</td></tr><tr><td>Żel ultradźwiękowy</td><td>Sonotech</td><td>Clear Image pojedyncze sprzężenie akustyczne</td><td></td></tr></tbody></table>

cystografia fotoakustyczna

Photoacoustic Cystography

Konwencjonalna cystografia dziecięca, która opiera się na diagnostycznym promieniowaniu rentgenowskim przy użyciu barwnika nieprzezroczystego dla promieniowania, cierpi z powodu stosowania szkodliwego promieniowania jonizującego. Ryzyko raka pęcherza moczowego u dzieci z powodu narażenia na promieniowanie jest większe niż w przypadku wielu innych nowotworów. W tym miejscu pokazujemy wykonalność niejonizującego i nieinwazyjnego obrazowania fotoakustycznego (PA) pęcherzy moczowych, określanego jako cystografia fotoakustyczna (PAC), przy użyciu absorbentów optycznych bliskiej podczerwieni (NIR) (tj. błękitu metylenowego, nanostruktur złota plazmonicznego lub jednościennych nanorurek węglowych) jako znacznika zmętnienia optycznego. Udało nam się zobrazować pęcherz szczura wypełniony optycznymi środkami absorpcyjnymi za pomocą konfokalnego systemu PAC w ciemnym polu. Po przezcewkowym wstrzyknięciu środków kontrastowych, pęcherze szczura zostały fotoakustycznie uwidocznione, osiągając znaczne wzmocnienie sygnału PA. Akumulację potwierdzono za pomocą spektroskopowego obrazowania PA. Co więcej, wykorzystując jedynie energię impulsu laserowego mniejszą niż 1 mJ/cm2 (1/20 limitu bezpieczeństwa), nasz obecny system obrazowania może mapować pęcherz szczura wypełniony błękitem metylenowym na głębokości ponad 1 cm w tkankach biologicznych in vivo. Zarówno wyniki obrazowania PA in vivo, jak i ex vivo potwierdzają, że środki kontrastowe były naturalnie wydalane z moczem. W związku z tym nie ma obaw o długotrwałą akumulację czynników toksycznych, co ułatwi translację kliniczną.

Rycina 1 przedstawia niejonizujące i nieinwazyjne obrazowanie PAC in vivo z wykorzystaniem optycznie mętnego błękitu metylenowego (MB). Kontrolny obraz PA uzyskano przy 667 nm, w szczycie absorpcji optycznej dla MB (Rycina 1A). Choć naczynia krwionośne w polu widzenia (FOV) są wyraźnie widoczne, pęcherz moczowy pozostaje niewidoczny, ponieważ przy tej długości fali jest on optycznie przezroczysty. Jak pokazano na Rycynie 1B, pęcherz moczowy jest wyraźnie widoczn...

Cystografia fotoakustyczna (PAC) ma ogromny potencjał do mapowania pęcherzy moczowych, wrażliwego na promieniowanie narządu wewnętrznego u pacjentów pediatrycznych, bez użycia promieniowania jonizującego lub toksycznego środka kontrastowego. Tutaj demonstrujemy zastosowanie PAC do mapowania pęcherzy moczowych z wstrzyknięciem nieprzezroczystych optycznie znaczników u szczurów in vivo.

Cystografia fotoakustyczna

Conventional pediatric cystography, which is based on diagnostic X-ray using a radio-opaque dye, suffers from the use of harmful ionizing radiation. The ...

Ogólnym celem tej procedury jest zademonstrowanie niejonizującej fotoakustycznej cystografii in vivo z wykorzystaniem bliskiej podczerwieni oraz absorpcji optycznej nietoksycznych mętnych znaczników optycznych. Jest to realizowane poprzez uprzednie znieczulenie zwierzęcia doświadczalnego. Drugim krokiem jest przygotowanie zwierzęcia do obrazowania poprzez usunięcie sierści z okolic brzucha, umieszczenie szczura na specjalnie wykonanym uchwycie dla zwierząt, wprowadzenie cewnika oraz nałożenie żelu ultradźwiękowego na obszar obrazowania.Kolejne obrazy obszaru brzusznego są pozyskiwane za pomocą systemu fotoakustycznej cystografii przed i po wstrzyknięciu czynnika o określonej absorbancji optycznej do pęcherza moczowego. Ostatecznie proces ten umożliwia obrazowanie pęcherza szczura z wykorzystaniem niejonizującego i nieinwazyjnego systemu fotoakustycznej cystografii, co eliminuje ekspozycję na promieniowanie oraz długotrwałe gromadzenie się ciężkich środków kontrastowych. Tomografia akustyczna stała się wiodącą metodą obrazowania biomedycznego dzięki silnemu kontrastowi absorpcji optycznej oraz wysokiej rozdzielczości przestrzennej ultradźwięków w tkankach biologicznych. Kluczową zaletą foto-tomografii jest całkowity brak promieniowania jonizującego, brak akumulacji wstrzykniętego środka w pęcherzu oraz szybkość i efektywność kosztowa badania.W tej procedurze należy użyć laseru Nd:YAG z przełącznikiem Q, którego częstotliwość została podwojona w celu generowania światła o długości fali 532 nanometrów. Wiązka laserowa przechodzi przez oscylator parametryczny (OPO) z zakresem strojenia długości fali od 680 do 2 500 nanometrów. Należy rozpocząć od ustawienia czasu trwania impulsu OPO na pięć nanosekund dla każdego wystrzału laserowego oraz ustawienia częstotliwości repetycji na 10 herców.Następnie ustaw długość fali optycznej na 667 nanometrów do zastosowania z błękitem metylenowym jako środkiem kontrastowym. Długość ta może wymagać modyfikacji w przypadku użycia innego środka kontrastowego. Poprowadź światło wychodzące z OPO przez pryzmat prostokątny do wykonanej własnoręcznie sferyczno-stożkowej soczewki.Soczewka stożkowa została wykonana z soczewki BK7 o średnicy 2,5 centymetra i kącie stożka wynoszącym 152 stopnie. Następnie rozbieżna wiązka światła w kształcie pierścienia jest kierowana przez optymalny kondensator o grubości 2,5 centymetra, wykonany z przezroczystego akrylu. Średnice górnej i dolnej powierzchni wynoszą odpowiednio 6,1 i 4,8 centymetra.Upewnij się, że profil wiązki ma kształt idealnego pierścienia. Jeśli profil wiązki w kształcie donut nie zostanie prawidłowo wygenerowany, dominujące będą sygnały fotoakustyczne pochodzące z powierzchni skóry. W konsekwencji utrudnione zostanie obrazowanie głębokich tkanek.Następnie należy przygotować niewielki pojemnik z wodą, aby zwiększyć sprzężenie akustyczne między zwierzęciem a laserem. Dolny otwór owijamy przezroczystą, cienką folią polietylenową, która jest przejrzysta optycznie i akustycznie. Za pomocą kawałka czarnej taśmy izolacyjnej należy współosiowo wyrównać liniową wiązkę światła z obszarem ogniskowania ultradźwięków.Jeśli nie są one dobrze wyrównane, system będzie charakteryzował się niskim stosunkiem sygnału do szumu. Następnie zamontuj sferycznie ogniskowany przetwornik ultradźwiękowy do detekcji fal fotoakustycznych. W tym celu stosowany jest przetwornik zanurzeniowy Olympus NDT V 3 0 8.Urządzenie zbiera dane z częstotliwością 5 MHz i posiada rozdzielczość poprzeczną oraz osiową wynoszącą odpowiednio 590 i 144 µm. Następnie należy podłączyć przetwornik do szerokopasmowego wzmacniacza lub odbiornika impulsów ultradźwiękowych, który wzmocni fale fotoakustyczne, a następnie podłączyć go do oscyloskopu. Po skonfigurowaniu systemu należy uzyskać jednowymiarowe obrazy z rozdzielczością czasową, zwane obrazami ALINE, mierząc czasy dotarcia fal fotoakustycznych za pomocą oscyloskopu.Następnie za pomocą programu LabVIEW steruj mechanicznie liniowym stołem rastrowym w celu pozyskania dwuwymiarowych skanów B oraz trójwymiarowych obrazów fotoakustycznych. Obrazowanie trójwymiarowe pola o wymiarach 2,5 centimeters na 2,4 centimeters na 1,5 centimeter trwa około 25 minut na jedną próbkę. Skonfiguruj program LabVIEW do sterowania stołem.Zebierz 125 próbek w kierunku X z krokiem 0,2 millimeters, 60 próbek w kierunku Y z krokiem 0,4 millimeters oraz 500 punktów danych z częstotliwością próbkowania 50 megahertz w kierunku Z. Następnie skonfiguruj system oprogramowania MathWorks MATLAB w celu pozyskania, konwersji i przetworzenia surowych danych w sekwencję przekrojowych obrazów bcan reprezentujących dane wolumetryczne. Nagrane obrazy są następnie wyświetlane jako 2D obrazy maksymalnej projekcji amplitudy.Aby przygotować szczury do obrazowania, znieczul samicę szczura rasy Sprague-Dawley o masie od 200 do 250 g poprzez dokonać doprzystronnego wstrzyknięcia mieszaniny ketaminy i ksylazyny. Następnie usuń owłosienie z obszaru o boku pięciu centymetrów wokół brzucha, używając kremu do depilacji. Następnie umieść szczura na specjalnie wykonanym uchwycie dla zwierząt.Następnie przygotuj cewnik o rozmiarze 22 G do wprowadzenia, pokrywając go lubrykantem, i wprowadź dystalny koniec cewnika poziomo do cewki moczowej, aż nasada cewnika dotrze do otworu, a przez cewnik zacznie odpływać mocz. Na koniec umieść szczura na uchwycie dla zwierząt, poniżej pojemnika z wodą w systemie fotoakustycznej cystografii. Aby rozpocząć obrazowanie, w pełni znieczul szczura za pomocą odparowanego izofluranu podczas eksperymentów z obrazowaniem fotoakustycznym in vivo.Następnie nałóż żel do badań USG pomiędzy powierzchnię skóry zwierzęcia a membranę plastikową, aby poprawić sprzężenie akustyczne. Dalej, uruchom przygotowany program MathWorks MATLAB, aby uzyskać kontrolny trójwymiarowy obraz fotoakustyczny przed wstrzyknięciem środków kontrastowych. Po uzyskaniu obrazu kontrolnego użyj strzykawki o pojemności 1 mL, aby wprowadzić wodny roztwór błękitu metylenowego do pęcherza za pomocą cewnika po wstrzyknięciu błękitu metylenowego.Należy wykonać serię obrazów fotoakustycznych in vivo co 12 godzin aż do 48 godzin po iniekcji. Następnie szczura należy uśmiercić poprzez podanie przedawkowanej dawki pentobarbitalu w ilości 150 mg/kg. Po tym czasie należy usunąć pęcherz moczowy oraz nerkę i umieścić je na szklanej płytce.W ramach kontroli dla obrazowania ex vivo należy wykorzystać pęcherz moczowy i nerkę zwierzęcia, któremu nie podano wstrzykniętego preparatu. Umieść płytkę szklaną pod pojemnikiem z wodą w systemie cystografii fotoakustycznej i nałóż żel ultradźwiękowy pomiędzy wycięte organy a membranę plastikową, aby poprawić sprzężenie akustyczne podczas obrazowania. Przedstawiony tutaj obraz to dwuwymiarowy skan XY brzucha szczura, wykonany za pomocą światła laserowego o długości fali 667 nanometrów przed wstrzyknięciem błękitu metylenowego.W tym przypadku naczynia krwionośne są łatwo widoczne, ponieważ krew pochłania światło, generując sygnał fotoakustyczny, natomiast pęcherz nie jest widoczny ze względu na brak środka kontrastowego. Po wykonaniu obrazowania 12 godzin po wstrzyknięciu błękitu metylenowego jako środka kontrastowego, pęcherz staje się łatwo widoczny z bardzo wysoką amplitudą w całym jego obszarze. Podczas ponownych pomiarów po 24 i 48 godzinach środek kontrastowy opuścił organizm i nie jest już widoczny; poprzez zmianę długości fali optycznej na 850 nanometrów za pomocą oscylatora parametrycznego, błękit metylenowy przestaje pochłaniać energię i staje się niewidoczny.Dzięki temu pęcherz staje się efektywnie niewidoczny, co stanowi kolejną kontrolę negatywną dla układu. Obrazy z rozdzielczością głębokości uzyskiwane z płaszczyzny Z wzdłuż pokazanych tutaj linii przerywanych dostarczają dodatkowych danych o głębokości w obszarach zainteresowania, jak przedstawiono tutaj, lub mogą być wykonywane dla całego obrazu w celu opisania obszaru w trzech wymiarach. W tym filmie zademonstrowaliśmy możliwości obrazowania pęcherza in vivo za pomocą procesu niejonizującego zwanego obrazowaniem fotoakustycznym.Wykorzystując nasz system obrazowania fotoakustycznego, pomyślnie obrazowaliśmy lewy pęcherz wypełniony wstrzykniętym znacznikiem efektu optycznego w ołowiu. W przyszłości technika ta może zostać zastosowana do monitorowania problemów urologicznych, takich jak refluks pęcherzowo-moczowodowodowy u pacjentów pediatrycznych, przy niskiej dawce promieniowania. Przenośność i niski koszt tej procedury są optymalne dla tego typu zastosowań.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Fotografiapoacstyczna cystografia

Mikroskopia fotoakustyczna o rozdzielczości optycznej (OR-PAM) to rozwijająca się technologia umożliwiająca obrazowanie kontrastów absorpcji optycznej in vivo z rozdzielczością i czułością na poziomie komórkowym. W niniejszym materiale przedstawiamy instrukcję wizualną dotyczącą protokołów eksperymentalnych OR-PAM, obejmującą konfigurację systemu, jego kalibrację, typowe procedury eksperymentalne in vivo oraz schematy obrazowania funkcjonalnego.

Trójwymiarowa mikroskopia fotoakustyczna o rozdzielczości optycznej

Oftalmologia fotoakustyczna (PAOM), będąca modalnością obrazowania opartą na absorpcji optycznej, umożliwia uzupełniającą ocenę siatkówki w stosunku do obecnie dostępnych technologii obrazowania okulistycznego. Przedstawiamy zastosowanie PAOM zintegrowanego z optyczną koherencyjną tomografią w domenie widmowej (SD-OCT) do jednoczesnego multimodalnego obrazowania siatkówki u szczurów.

Zintegrowana fotoakustyczna oftalmoskopia i optyczna koherentna tomografia w dziedzinie widmowej

W tym filmie prezentujemy fotoakustyczną cytometryczną detekcję komórek raka jajnika zawierających nanocząstki w komorze przepływowej in vitro. Ta nieinwazyjna technika z powodzeniem identyfikuje krążące komórki nowotworowe w systemie przepływowym z wykorzystaniem środka kontrastowego.

Fotoakustyczna cytometria przepływowa in vitro: nieinwazyjna technika fotoakustyczna do wykrywania krążących komórek raka jajnika zawierających nanocząstki

Źródło: Kalva, S. K.,  i wsp., Pulsacyjna tomografia fotoakustyczna oparta na diodach laserowych do monitorowania wymywania i wypłukiwania barwnika w unaczynieniu kory mózgowej szczura. J. Vis. Exp. (2019)Ten film przedstawia procedurę wykorzystania obrazowania fotoakustycznego do obserwacji zmian w naczyniach korowych znieczulonego szczura. Proces obejmuje obrazowanie bazowe, wstrzykiwanie barwnika oraz analizę wchłaniania i klirensu barwnika podczas wymywania i wymowywania.

Fotoakustyczne monitorowanie ruchu barwnika w korowych naczyniach krwionośnych

Kliniczny ręczny system obrazowania fotoakustycznego zostanie zademonstrowany do nieinwazyjnego obrazowania małych zwierząt w czasie rzeczywistym.

Ręczny kliniczny system obrazowania fotoakustycznego do nieinwazyjnego obrazowania małych zwierząt w czasie rzeczywistym

Kompaktowy system stacjonarnej tomografii fotoakustycznej oparty na pulsacyjnych diodach laserowych (PLD-PAT) jest demonstrowany do szybkiego dynamicznego obrazowania in vivo naczyń korowych małych zwierząt.

Pulsacyjna tomografia fotoakustyczna oparta na diodach laserowych do monitorowania wymywania i wymywania barwnika w uczynieniu kory mózgowej szczura

Przedstawiono protokół wykrywania krążących komórek nowotworowych jajnika za pomocą specjalnie zaprojektowanego systemu przepływu fotoakustycznego i ukierunkowanych nanocząsteczek siarczku miedzi z kwasem foliowym.

Wykrywanie raka jajnika za pomocą fotoakustycznej cytometrii przepływowej

Zaprojektowano dwurastrowy skaner fotoakustyczny, który integrował obrazowanie szerokokątne i obrazowanie w czasie rzeczywistym.

Fotoakustyczny aparat do obrazowania małych zwierząt z podwójnym skanowaniem rastrowym do wizualizacji naczyń krwionośnych

Zgłaszamy jednocześnie protokół obrazowania ultrasonograficznego i fotoakustycznego dla przezpochwowego obrazowania zmian w jajnikach/przydatkach. Protokół może być cenny dla innych translacyjnych badań obrazowania fotoakustycznego, zwłaszcza tych wykorzystujących komercyjne matryce ultradźwiękowe do wykrywania sygnałów fotoakustycznych i standardowe algorytmy kształtowania wiązki z opóźnieniem i sumą do obrazowania.

Jednoczesny protokół obrazowania ultrasonograficznego i fotoakustycznego do przezpochwowego obrazowania zmian w jajnikach

Opracowaliśmy cytometr przepływowy wykorzystujący ultradźwięki indukowane laserem do wykrywania krążących komórek czerniaka jako wczesnego wskaźnika choroby przerzutowej.

Detekcja i izolacja krążących komórek czerniaka z wykorzystaniem fotoakustycznej cytometrii przepływowej

Poznaj fotoakustyczną cystografię w celu bezpiecznego obrazowania pęcherza moczowego u szczurów. Ta nieinwazyjna metoda wykorzystuje niejonizujące promieniowanie i nietoksyczne środki kontrastowe, oferując obiecującą alternatywę dla badań pediatrycznych.

Cystografia fotoakustyczna

Przeglądaj więcej filmów