Cystografia fotoakustyczna
11 czerwca 2013
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.
Ogólnym celem tej procedury jest zademonstrowanie in vivo niejonizującej cystografii fotoakustycznej z wykorzystaniem absorbancji optycznej bliskiej podczerwieni jako nietoksycznych znaczników zmętnienia optycznego. Osiąga się to poprzez uprzednie znieczulenie zwierzęcia doświadczalnego. Drugim krokiem jest przygotowanie zwierzęcia do obrazowania poprzez usunięcie włosów w okolicy brzucha, umieszczenie szczura na specjalnie wykonanym uchwycie dla zwierząt, wprowadzenie cewnika i nałożenie żelu ultradźwiękowego na obszar obrazowania.
Kolejne obrazy okolicy brzusznej uzyskuje się za pomocą systemu cystografii fotoakustycznej przed i po wstrzyknięciu absorbancji optycznej do pęcherza moczowego. Ostatecznie proces ten pozwala na obrazowanie pęcherza szczura przy użyciu niejonizującego i nieinwazyjnego systemu cystografii fotoakustycznej, zapewniającego brak ekspozycji na promieniowanie i długotrwałe gromadzenie ciężkich czynników Ponieważ tomografia akustyczna stała się główną metodą obrazowania biomedycznego ze względu na silny kontrast absorpcji optycznej, wysoką rozdzielczość przestrzenną ultradźwięków w tkankach biologicznych. Kluczową zaletą fototomografii jest to, że jest całkowicie wolna od promieniowania jonizującego, wstrzykiwany czynnik nie kumuluje się w pęcherzu moczowym oraz jest szybka i kosztowna w skuteczny
.Do tej procedury użyj neodymowego lasera z granatem aluminiowym z przełączaniem Q, który został podwojony w celu wygenerowania światła o długości 532 nanometrów. Wyjście lasera jest przepuszczane przez optyczny oscylator parametryczny lub OPO o przestrajalnym zakresie długości fali od 680 do 2 500 nanometrów. Zacznij od ustawienia czasu trwania impulsu OPO na pięć nanosekund dla każdego strzału laserowego i ustaw częstotliwość powtarzania na 10 herców.
Następnie ustaw długość fali optycznej na 667 nanometrów do użytku ze środkiem kontrastowym z błękitem metylenowym. Ta długość fali może wymagać modyfikacji, jeśli używany jest inny środek kontrastowy. Dostarcz światło wychodzące z OPO przez pryzmat pod kątem prostym do domowej sferycznej soczewki stożkowej.
Stożkowa soczewka wykonana jest z soczewki BK seven o średnicy 2,5 centymetra i kącie stożka 152 stopni. Następnie przekieruj rozchodzącą się wiązkę światła w kształcie pączka 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 wzór wiązki ma idealny kształt pierścienia. Jeśli wzór wiązki w kształcie pączka nie zostanie prawidłowo wygenerowany, dominujące będą sygnały fotoakustyczne pochodzące z powierzchni skóry. W związku z tym trudno będzie uzyskać obrazowanie tkanek głębokich.
Następnie przygotuj mały pojemnik na wodę, aby wzmocnić sprzężenie akustyczne między zwierzęciem a laserem. Dolny otwór owinięty jest przezroczystą cienką folią polietylenową, która jest optycznie i akustycznie przezroczysta. Za pomocą kawałka czarnej taśmy izolacyjnej współosiowo wyrównano światło w kształcie linii ze strefą ogniskową ultradźwięków.
Jeśli nie są one dobrze wyrównane, system będzie cierpiał z powodu niskiego stosunku sygnału do szumu. Następnie zamontuj sferycznie skoncentrowany przetwornik ultradźwiękowy do wykrywania fal fotoakustycznych. W tym celu stosuje się przetwornik zanurzeniowy V 3 0 8 Olympus NDT.
Zbiera dane w częstotliwości pięciu megaherców i ma rozdzielczość poprzeczną i osiową odpowiednio 590 i 144 mikrometrów. Następnie podłącz przetwornik do szerokopasmowego impulsu ultradźwiękowego lub odbiornika, który wzmocni fale fotoakustyczne i podłącz go do oscyloskopu. Po skonfigurowaniu systemu uzyskaj jednowymiarowe obrazy z rozdzielczością czasową, zwane obrazami ALINE, mierząc czasy nadejścia fal fotoakustycznych za pomocą oscyloskopu.
Następnie mechanicznie steruj liniowym stolikiem rastrowym za pomocą widoku laboratoryjnego, aby uzyskać dwuwymiarowe skany B i trójwymiarowe obrazy fotoakustyczne. Obrazowanie trójwymiarowe zajmuje około 25 minut na próbkę dla pola o wymiarach 2,5 centymetra na 2,4 centymetra na 1,5 centymetra w celu uzyskania obrazów 3D. Skonfiguruj program widoku laboratorium, aby sterować stołem montażowym.
Uzyskaj 125 próbek w kierunku X z krokiem 0,2 milimetra, 60 próbek w kierunku Y z krokiem 0,4 milimetra i 500 punktów danych z częstotliwością próbkowania 50 megaherców wzdłuż kierunku Z. Na koniec skonfiguruj system oprogramowania MathWorks MATLAB, aby pozyskiwać, konwertować i przetwarzać surowe dane na sekwencję przekrojowych obrazów bcan, które reprezentują dane wolumetryczne. Zarejestrowane obrazy są następnie wyświetlane jako obrazy projekcyjne 2D o maksymalnej amplitudzie.
Aby przygotować szczury do obrazowania, znieczulij samicę szczura sprague dolly o wadze od 200 do 250 gramów poprzez dootrzewnowe wstrzyknięcie mieszaniny ketaminy i ksylazyny. Następnie usuń włosy w kwadracie o długości pięciu centymetrów wokół brzucha za pomocą balsamu do depilacji. Następnie umieść szczura na szczycie wykonanego na zamówienie uchwytu na zwierzęta.
Następnie przygotuj cewnik o rozmiarze 22 do wprowadzenia, pokrywając go smarem i wprowadź dystalny koniec cewnika poziomo do cewki moczowej, aż piasta cewnika dotrze do otworu, a mocz zacznie opróżniać się przez cewnik. Na koniec ustaw szczura tak, aby znajdował się na górze uchwytu na zwierzę i poniżej pojemnika na wodę w systemie cystografii fotoakustycznej. Aby rozpocząć obrazowanie, należy w pełni znieczulić szczura za pomocą odparowanego izofluoru podczas eksperymentów obrazowania fotoakustycznego in vivo.
Następnie nałóż żel ultradźwiękowy między powierzchnię skóry zwierzęcia a plastikową membranę, aby poprawić sprzężenie akustyczne. Następnie należy uruchomić przygotowany program laboratoryjny MathWorks do mat lab w celu uzyskania kontrolnego trójwymiarowego obrazu fotoakustycznego przed wstrzyknięciem środków kontrastowych. Po uzyskaniu obrazu kontrolnego należy użyć strzykawki o pojemności jednego mililitra, aby wprowadzić wodny roztwór błękitu metylenowego do pęcherza moczowego przez cewnik po wstrzyknięciu błękitu metylenowego.
Uzyskuj serię obrazów fotoakustycznych in vivo co 12 godzin do 48 godzin po wstrzyknięciu. Następnie poświęć szczura, wstrzykując przedawkowanie przy użyciu 150 miligramów na kilogram pentobarbitalu. Następnie wyjmij pęcherz i nerkę i umieść je na szklanej płytce.
Pęcherz moczowy i nerka zwierzęcia, u którego wstrzyknięto unin, powinny być używane jako kontrola do obrazowania ex vivo. Umieść szklaną płytkę poniżej pojemnika na wodę w systemie cystografii fotoakustycznej i nałóż żel ultradźwiękowy między wycięte narządy a plastikową membranę, aby poprawić sprzężenie akustyczne podczas obrazowania. Pokazany tutaj obraz to dwuwymiarowy skan jamy brzusznej XY szczura zobrazowany za pomocą 667 nanometrowego światła laserowego przed wstrzyknięciem błękitu metylenowego.
W tym przypadku naczynia krwionośne można łatwo zobaczyć, ponieważ krew pochłania światło, aby wygenerować sygnał fotoakustyczny, ale nie ma widocznego pęcherza z powodu braku środka kontrastowego. Po wykonaniu zdjęcia 12 godzin po wstrzyknięciu środka kontrastowego z błękitem metylenowym pęcherz staje się łatwo widoczny z bardzo silną amplitudą w całym pęcherzu. Po ponownym pomiarze po 24 i 48 godzinach środek kontrastowy opuścił ciało i nie jest już widoczny poprzez zmianę długości fali optycznej na 850 nanometrów za pomocą optycznego oscylatora parametrycznego, środek kontrastowy błękitu metylenowego nie pochłania już energii i staje się niewidoczny.
To sprawia, że pęcherz moczowy skutecznie znika i działa jako kolejna negatywna kontrola dla systemu. Obrazy o rozdzielczości głębi uzyskane z płaszczyzny Z wzdłuż pokazanych tutaj linii przerywanych dostarczają dodatkowych danych o głębi wzdłuż obszarów zainteresowania, jak pokazano tutaj, lub mogą być wykonane dla całego obrazu, aby opisać obszar w trzech wymiarach. W tym filmie pokazaliśmy zdolność fizyczną procesu bez jonizacji i niejonizującego na pęcherz moczowy in vivo, zwanego oskopią fotoakustyczną.
Korzystając z naszego systemu obrazowania fotoakustycznego, udało nam się zobrazować nasz lewy pęcherz moczowy wypełniony wstrzyknięciem znacznika efektu optycznego w ołowiu w przyszłości. Technika ta może być również stosowana do monitorowania problemów urologicznych, takich jak refluks bisco u pacjentów pediatrycznych przy niskiej dawce promieniowania. Przenośność i niedrogi charakter tej procedury są optymalne dla tego typu aplikacji.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie demonstruje zastosowanie fotoakustycznej cystografii (PAC) do mapowania pęcherzy moczowych u szczurów, z wykorzystaniem promieniowania niejonizującego oraz nietoksycznych znaczników optycznych. Metoda ta ma na celu zapewnienie bezpiecznej alternatywy obrazowej dla pacjentów pediatrycznych, pozwalającej uniknąć promieniowania jonizującego i toksycznych środków kontrastowych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Obrazowanie biomedyczne
- Technologia fotoakustyczna
- Procedury nieinwazyjne
Wstęp
- Fotoakustyczna cystografia jest nowatorską techniką obrazowania.
- Jest ona szczególnie korzystna dla populacji wrażliwych na promieniowanie, takich jak dzieci.
- Metoda ta wykorzystuje znaczniki nieprzezroczyste optycznie do mapowania pęcherza moczowego.
- Pozwala ona uniknąć stosowania promieniowania jonizującego oraz czynników toksycznych.
Cel badania
- Wykazanie niejonizującej cystografii fotoakustycznej in vivo.
- Ocena skuteczności absorbancji optycznej w roli znaczników.
- Zapewnienie bezpiecznej metody obrazowania pęcherzy moczowych u szczurów.
Zastosowane metody
- Znieczulenie zwierzęcia doświadczalnego.
- Przygotowanie miejsca obrazowania poprzez usunięcie włosów z brzucha.
- Upozycjonowanie szczura i wprowadzenie cewnika.
- Nałożenie żelu ultradźwiękowego i obrazowanie za pomocą systemu PAC.
Główne wyniki
- Pomyślne obrazowanie pęcherza moczowego szczura z wykorzystaniem PAC.
- Brak ekspozycji na promieniowanie lub długotrwałej akumulacji czynników.
- Osiągnięto wysoką rozdzielczość przestrzenną i silny kontrast absorpcji optycznej.
- Wykazano szybki i kosztowo efektywny proces obrazowania.
Wnioski
- Cystografia fotoakustyczna jest obiecującą metodą obrazowania.
- Stanowi ona nieinwazyjną i bezpieczną alternatywę dla mapowania pęcherza moczowego.
- Technika ta może być korzystna dla pacjentów pediatrycznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Cystografia fotoakustyczna (PAC) stanowi niejonizującą i nieinwazyjną alternatywę obrazowania w wizualizacji pęcherza moczowego, odpowiadając na krytyczną, niezaspokojoną potrzebę w urologii pediatrycznej, gdzie ekspozycja na promieniowanie podczas konwencjonalnej cystografii wiąże się ze znacznym ryzykiem kancerogennym. Dzięki wykorzystaniu biokompatybilnych znaczników optycznych, takich jak błękit metylenowy, nanostruktury złota lub nanorurki węglowe, PAC umożliwia obrazowanie tkanek głębokich powyżej 1 cm przy energiach laserowych znacznie poniżej progów bezpieczeństwa, co wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego w przedklinicznych potokach walidacji celów terapeutycznych. Podejście to zwiększa pewność predykcyjną w modelach chorób, zapewniając powtarzalny, wolny od promieniowania monitoring podłużny fizjologii i patologii pęcherza moczowego.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych związanych z funkcją i patologią pęcherza moczowego bez zakłóceń wynikających z promieniowania jonizującego.
- Wartość operacyjna: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez podłużne, niedestrukcyjne monitorowanie wydalania znacznika i dynamiki pęcherza moczowego in vivo.
- Wartość prognostyczna: Ułatwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez walidację klirensu środka kontrastowego drogą naturalnego oddawania moczu, co zmniejsza obawy dotyczące długoterminowej kumulacji toksycznej w modelach przedklinicznych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Gotowość do analizy: Przygotowuje zwalidowane systemy biologiczne do dalszych etapów procesu poprzez ustalenie powtarzalnych, ilościowych odczytów sygnału fotoakustycznego powiązanych ze stężeniem znacznika i stopniem wypełnienia pęcherza.
- Powtarzalność: Umożliwia standaryzację protokołów obrazowania poprzez kontrolę długości fali lasera (np. 667 nm dla błękitu metylenowego), energii impulsu (<1 mJ/cm²) oraz ustawień przetwornika (częstotliwość środkowa 5 MHz).
- Ilościowe wyniki: Generuje mierzalne dane spektralne i amplitudę fotoakustyczną, które umożliwiają porównania między różnymi warunkami, punktami czasowymi i rodzajami znaczników.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie dla chorób: Modeluje refluks moczowodzowy oraz inne pediatryczne schorzenia urologiczne, umożliwiając nieinwazyjne obrazowanie pęcherza moczowego przez 48 godzin po podaniu znacznika.
- Ciągłość translacyjna: Łączy etap odkryć z walidacją przedkliniczną poprzez wykazanie kinetyki wydalania znacznika, co wspiera decyzje o postępie badań w oparciu o analizę ryzyka związaną z profilami biokompatybilności i klirensu.
- Zgodność z biomarkerami: Stanowi platformę do oceny biodystrybucji i retencji znacznika jako potencjalnych translacyjnych biomarkerów funkcji nerek lub pęcherza moczowego.
Integracja potoku i przepływu pracy
PAC wpisuje się w kontinuum odkryć, od wczesnej walidacji celu po przedkliniczne testy skuteczności, szczególnie w przypadku celów urologicznych, gdzie fizjologia pęcherza jest kluczowym parametrem odczytu, umożliwiając nieinwazyjną, podłużną ocenę bez skumulowanego obciążenia promieniowaniem.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez, umożliwiając wizualizację zmian strukturalnych i funkcjonalnych w pęcherzu moczowym w odpowiedzi na interwencje farmakologiczne lub genetyczne.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowe do analizy, powtarzalne obrazy o wysokiej rozdzielczości przestrzennej (590 µm w przekroju poprzecznym, 144 µm w osi podłużnej) i silnym kontraście absorpcji optycznej, co pozwala na wiarygodną ewaluację związków lub znaczników.
- Analityka: Generuje dane rozdzielone w czasie, głębokości oraz dane wolumetryczne (poprzez skany B i rekonstrukcję 3D), umożliwiając ilościowe porównanie napełniania pęcherza, retencji znacznika oraz dynamiki klirensu.
- Badania translacyjne: Łączy się z ciągłością przedkliniczną poprzez walidację faktu, że znaczniki optyczne są naturalnie wydalane z moczem, co wspiera profilowanie bezpieczeństwa w badaniach umożliwiających złożenie wniosku o IND.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Stanowi wielorazową platformę obrazowania, którą można zastosować w wielu badaniach i systemach modelowych ze względu na jej niejonizujący charakter, niski koszt eksploatacji oraz kompatybilność z różnymi znacznikami absorbującymi w zakresie NIR.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w badaniach ukierunkowanych na pęcherz moczowy dzięki powtarzalnemu obrazowaniu bez użycia promieniowania.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i skalowalność dzięki zdefiniowanym parametrom lasera, specyfikacjom przetwornika oraz protokołom obrazowania.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji typu go/no-go, umożliwiając wczesne wykrycie retencji znacznika poza celem lub toksyczności pęcherza bez narażania na promieniowanie jonizujące.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko, dostarczając danych o klirensie i biodystrybucji, które informują decyzje o dalszym rozwoju w ramach programów opracowywania leków urologicznych.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie obrazowania fotoakustycznego, bezpieczeństwa laserowego oraz chirurgicznych procedur u małych zwierząt, w tym kaniulacji i anestezji.
- Wymagane jest strojowane źródło laserowe (OPO), sferycznie skupiony przetwornik ultradźwiękowy (5 MHz), system akwizycji danych (oscyloskop, LabVIEW) oraz potok przetwarzania danych oparty na programie MATLAB.
- Wymagana jest międzyzespołowa standaryzacja parametrów obrazowania (długość fali, energia impulsu, wielkość kroku) oraz protokołów przygotowania znaczników pomiędzy zespołami badawczymi i przedklinicznymi.
- Wymaga uwzględnienia modyfikacji przy zmianie znaczników (np. z błękitu metylenowego na nanostruktury złota), co wiąże się z koniecznością ponownej optymalizacji długości fali i walidacji sprzężenia akustycznego.
- Ograniczone przez głębokość penetracji (wykazano >1 cm) oraz zależność od właściwości absorpcji optycznej znacznika przy wybranych długościach fali.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
1:48
Configuration of the Deep Reflection Mode Photoacoustic Cystography System
5:22
Animal Preparation for Imaging Procedures
8:46
Conclusion
7:30
Results: Photoacoustic Cystography Imaging of Rat Bladders
6:13
In vivo and Ex vivo Photoacoustic Cystography Imaging Procedures
