Методическая статья

Фотоакустическая Цистография

13.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/50340

⸱

11 июня 2013 г.

 ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, University at Buffalo, The State University of New York, 2Department of Creative IT Engineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH) , 3School of Electrical Engineering and Computer Science, Kyungpook National University

В этой статье

Краткое содержание

Фотоакустическая цистография (PAC) имеет большой потенциал для сопоставления мочевого пузыря, чувствительный к излучению внутренних органов у детей, без использования ионизирующей радиации или токсичных контрастных агентов. Здесь мы показываем, использование PAC для отображения мочевого пузыря с введением оптических индикаторов в непрозрачной крыс В естественных условиях.

Аннотация

Обычных педиатрических цистографию, который основан на диагностических рентгеновских использованием рентгеноконтрастных красителей, страдает от использования вредных ионизирующим излучением. Риск возникновения рака мочевого пузыря у детей в связи с воздействием радиации является более значительным, чем многие другие виды рака. Здесь мы показываем возможности неионизирующих и неинвазивной фотоакустических (PA) визуализации мочевого пузыря, называют фотоакустических цистография (PAC), используя ближнем инфракрасном (NIR) оптические абсорбенты (например, метиленовый синий, плазмонных наноструктур золота, или одностенных углеродных нанотрубок ) в качестве оптического мутно-индикатора. Мы успешно отображаемого мочевой пузырь крыс заполнен оптической поглощающих агентов с помощью темном поле конфокальной PAC системы. После трансуретральной введения контрастного средства, пузыри крысы были визуализированы photoacoustically достижении значительного сигнала PA аксессуара. Накопление было подтверждено спектроскопических изображений PA. Кроме того, при использовании только энергии лазерного импульсаменее 1 мДж / см 2 (1/20 от предела безопасности), наша нынешняя система визуализации можно сопоставить метиленовым синим, заполненные крысы пузыря на глубину более 1 см в биологических тканях в естественных условиях. Как в естественных, и бывших естественных изображений PA результаты подтверждают, что контрастные вещества, естественно, из организма через мочеиспускание. Таким образом, не существует озабоченность по поводу долгосрочного накопления токсичных агентов, которые будут способствовать клинической перевода.

Введение

Рентгеновская цистографию 1 изображений процесс выявления мочевого пузыря заболеваний, таких как рак мочевого пузыря, пузырно-мочеточниковый рефлюкс, блокирование мочеточников, мочевого пузыря нейрогенного и др. 2-5 Как правило, моча, недействительны и рентгеноконтрастный агент вводится через катетера. Затем рентгеноскопии рентгеновского изображения вводятся, чтобы очертить мочевого пузыря. Тем не менее, ключевым вопросом безопасности является то, что вредное ионизирующее излучение используется в этой процедуре. Процент совокупного риска рака возраста 75 лет вследствие диагностические рентгеновские лучи в диапазоне от 0,6 до 1,8%. 6 Кроме того, канцерогенные угроза имеет важное значение в педиатрии. Британское исследование показало, что среди 9 основных внутренних органов, средняя годовая доза облучения от диагностических рентгеновских лучей был самым высоким в пузырь в женском детей меньше, чем 4 и вторым по величине в детей мужского пола менее 4. 7 Это означает, что риск рака мочевого пузыря Наиболее существенно в педиатрических больных. ВысотаХью педиатрической радиологи стремятся снизить уровень радиационного облучения, как разумно достижимом низком уровне, ионизирующее излучение не может быть полностью исключена. Таким образом, ограничение создает необходимость полностью зараженных радиацией, чувствительной, экономически эффективной, и высокое разрешение метода визуализации с нерадиоактивных контрастных агентов в цистография.

Недавно фотоакустическая томографии (ПЭТ) стало главным биомедицинского метода визуализации, поскольку PAT может обеспечить сильное оптическое поглощение контрасты и высокой ультразвуковой пространственное разрешение в биологических тканях. 8 Принцип PAT в том, что ультразвуковые волны, индуцированные из-за термоупругих расширение целевой последующим поглощением света. При обнаружении с разрешением во времени акустических волн, распространяющихся через среду, двух-или трехмерный фотоакустическая (PA) формируются изображения. Потому что ультразвук (США) гораздо менее рассеяны в тканях по сравнению с светом (как правило, два-три порядка),глубина визуализации PAT может доходить до ~ 8 см в тканях, в то время как пространственное разрешение поддерживается до 1/200 от глубины визуализации 9 ключевых преимуществ PAT для cystographic приложения включают в себя: (1). PAT полностью свободен от ионизирующих излучения. (2) ClinicalUSimaging системы могут быть легко адаптированы для поставки двойного модальный ПА и США возможности воображения. Таким образом, двойной модальный PA / США система формирования изображения может быть относительно портативные, экономически эффективной, и быстрые, которые являются ключевыми критериями для быстрого клинического перевода. Использование как эндогенные, так и экзогенные контрастов, PAT обеспечила высокое разрешение морфологических, функциональных и молекулярной визуализации тканей для изучения опухолей патофизиология, гемодинамики мозга, внутренних органов, офтальмологии, ангиография и т.д.. 10-16

В этой статье мы покажем, экспериментальные протоколы неионизирующих фотоакустических цистография (PAC) с помощью ближней инфракрасной (NIR) оптические абсорбенты (например, метиленовый синий, перейдитеLD наноклетки или одностенных углеродных нанотрубок) также нетоксичные оптико-мутная индикаторов. Крысы пузыри наполнены контрастных агентов были photoacoustically и спектроскопически очерченных в естественных условиях. Нет агенты упорно не накапливается в мочевом пузыре и почках крыс. Таким образом, долгосрочной токсичности, которые могут быть вызваны средство накопления может быть исключена. Этот результат означает, что с PAC Комбинация оптического поглотители потенциально может быть действительно безвредны cystographic модальности для педиатрических пациентов. Конфигурации системы, системы выравнивания, и в естественных условиях / EX процедур естественных изображений обсуждаются в этой статье.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Режим глубокого размышления Фотоакустическая Цистография (PAC) системы

  1. Конфигурация системы 17, 18
    1. Q-Switched Nd: YAG лазера (SLII-10; континуума; 532 нм) насосов длины волны перестраиваемого лазера (ОРО Surelite PLUS; континуума; диапазон перестройки длины волны: от 680 до 2500 нм).
    2. Длительность импульса каждого лазерного выстрела составляет ~ 5 нс, а скорость лазерной повторения 10 Гц.
    3. Длина волны зависит от пика оптического поглощения использовали контрастное вещество. Если метиленовый синий служит в качестве контрастного агента, оптическую длину волны 667 нм используется, где пик поглощения. Плазмонных наноструктур золото может иметь перестраиваемый локализованного поверхностного плазмонного резонанса в ближней ИК области спектра на основе их физических и химических свойств. Кроме того, широкий спектр поглощения одностенных углеродных нанотрубок может предоставить широкий выбор дл селекции длин волн.
    4. Свет выходит из перестраиваемый лазер поставляется к сферической конических линз Through правого угла призмы (PS908, Thorlabs).
    5. Тороидальной формы луча света генерируется после того, как свет проходит через сферическую конической линзы. Самодельный конической линзы изготавливают из BK7 объектива и угол конуса составляет 152 °. Диаметр объектива 2,5 см.
    6. Расходящиеся тороидальной формы светового пучка перенаправлены через оптический конденсатор, выполненный из прозрачного акрилового листа. Диаметры верхней и нижней поверхностей 6,1 и 4,8 см соответственно. Толщина конденсатор 2,5 см. Перенаправлен кольцо луч света образует форму пончика с темным центром на поверхности ткани.
    7. Используйте небольшую емкость водой для повышения акустической связи. Емкость для воды имеет нижнее отверстие завернутые с четкой тонкой полиэтиленовой пленки, который оптически и акустически прозрачным. Мелкие животные расположены под водой контейнера.
    8. Сгенерированный волны PA обнаруживаются сферически сфокусированный ультразвук преобразователь (V308;Olympus NDT, 5 МГц центральная частота), который установлен в середине оптического конденсатора. Диаметр элемента и фокусное расстояние преобразователь в 1,9 и 2,5 см соответственно. Таким образом, диафрагменное число преобразователя составляет ~ 1,3.
    9. Поперечной и осевой разрешениях 590 и 144 мкм соответственно.
    10. Обнаруженные волн PA сначала усиливается широкополосным ультразвуковым генератором импульсов / приемник (5072PR; Olympus NDT, 35 МГц и 59 дБ RF GAIN), а затем приобретена осциллографа (TDS5054; Tektronix).
    11. Получение одномерного с разрешением во времени изображений (называется линия) путем измерения времени прихода волны PA. В настоящее время, скорость PA волны предполагается, что при 1480 м / с в течение всего захвата изображений. Два-(называется B-сканов) и трехмерной PA изображения могут быть получены путем механического перемещения линейной стадии растрового сканирования (XY6060; Danaher Dover).
    12. Изображений времени составляет ~ 25 мин на один объемный одной длине волны PA изображение сПоле зрения (FOV) 2,5 х 2,4 х 1,5 см 3 в плоскостях XYZ. Мы приобрели 125 образцов вдоль направления х с шагом 0,2 мм, 60 образцов вдоль направлении у с шагом 0,4 мм. 500 точек данных с 50-МГц частотой дискретизации были получены вдоль направления г. Механического сканирования контролируется самодельное NI LabVIEW системного программного обеспечения.
    13. Данные объемный представлен максимальный выступ амплитуды (MAP), с использованием программного MathWorks MATLAB системы.
  2. Система выравнивания
    1. После сферической конических линз, убедитесь, что конфигурация пучка излучения идеальной форме кольца. Если тороидальной формы луча образом не генерируется, PA сигналами происходит от поверхности кожи являются доминирующими. Таким образом, трудно достичь глубокого визуализации ткани.
    2. Линейно-профилированного свет фокуса в воду следует соосно с ультразвуковым фокальной зоны. Если те, которые не коаксиально, система страдает от низкого отношения сигнал-шум.
    3. Облученных энергии лазерного импульса на поверхности кожи изменяется от ~ 1 - 2 мДж / см 2, когда длина волны настроен от 680 до 1000 нм соответственно. Эти энергии лазерного импульса намного ниже, чем американского Национального института стандартов предел безопасности, колеблется от 20 до 80 мДж / см 2 в течение спектральной области, соответственно.

2. В естественных условиях и Ex естественных изображений Процедуры

  1. Подготовка животных
    1. Использование женский Spraque-Dawley крыс весом 200 - 250 г во всех экспериментах PA изображений.
    2. Для начала анестезии крыс путем внутрибрюшинной инъекции смеси кетамина (85 мг / кг массы тела) и ксилазина (15 мг / кг).
    3. Депиляции волос в области живота.
    4. Расположите крысы поверх заказ животного держателя.
    5. Coat 22 калибра катетер смазкой для улучшения катетера.
    6. Держите катетер VerticaLLY за отверстие мочеиспускательного канала. Затем вставьте дистального конца катетера, горизонтально, в мочеиспускательный канал, пока центр катетер окончательно не достигнет отверстие.
    7. Мочи в мочевом пузыре будет недействительным через катетер.
  2. В естественных условиях PAC изображений
    1. Поместите крысу, расположенный в верхней части животного держатель, ниже уровня воды контейнер в системе PAC.
    2. Применить Ультразвуковой гель (Sonotech) между поверхностью кожи животных и пластиковой мембраной для улучшения акустической связи.
    3. Полностью анестезии крыс использованием испаренного изофлуран (1 л / мин кислорода и 0,75% изофлуран) в течение в естественных условиях PA эксперименты изображений.
    4. Получение управления изображением PA до инъекции контрастного средства.
    5. Введение водного раствора метиленового синего (0,8 мкл / г веса тела с концентрацией 30 мМ), золото наноклетки (1,2 мкл / г веса тела с концентрацией 2 нМ) или одностенных углеродных нанотрубок (0,8 мкл / г тело вес сконцентрации 0,3 мкМ) в мочевой пузырь через катетер. Используйте 1 мл шприц с 22 калибра катетера.
    6. Приобретать серии изображений PA.
  3. Экс естественных PAC изображений
    1. Жертвоприношение крыс в естественных условиях после PAC изображений, путем введения передозировка фенобарбитала.
    2. Удалите два основных органов, пузыри и почек, для расследования биораспределении, и на стеклянной пластине.
    3. Поместите стеклянную пластину под емкость для воды в системе PAC.
    4. Применить Ультразвуковой гель (Sonotech) между вырезают органы и пластиковой мембраной для улучшения акустической связи.
    5. Приобретать PA изображений.
    6. Photoacoustically изображение удаленных органов от здоровых крыс в качестве контроля.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

На рисунке 1 показаны в естественных условиях неионизирующих и неинвазивной PAC с использованием оптически мутных метиленового синего (МБ). Управления изображением PA был получен при 667 нм, на пике оптического поглощения для MB (рис. 1А). Хотя кровеносных сосудов в поле зрения являются четко визуализируется, мочевой пузырь невидима, потому что это оптически прозрачным на этой длине волны. Как показано на фиг.1В, мочевой пузырь ясно показано на изображении PA п...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

В заключение, мы показали возможность неионизирующих PAC использованием нетоксичных оптические поглотители в крысиной модели в естественных условиях. Мы успешно отображаемого мочевой пузырь крыс заполнены оптических абсорбентов помощью нашего неионизирующих и неинвазивной PAC системы. Две важнейшие вопросы безопасности были решены в нашем подходе: (1) использование неионизирующих излучений для приложений cystographic и (2) не накопление контрастных веществ в организме.

Наш клиническ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Все эксперименты на животных в соответствии с Университета штата Нью-Йорк в Буффало Институциональные уходу и использованию животных комитета.
Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была частично поддержана грантом программы экспериментальных исследований Университета в Буффало клинических и трансляционных исследований Центра и Buffalo Поступательное консорциума, грант от Roswell Park Фонда Союза, ввод в эксплуатацию средств из Университета Буффало, IT Совпадение творческой программы из МКЭ и NIPA (C1515-1121-0003) и NRF грант МОНТ (2012-0009249).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Nd:YAG лазер с модуляцией добротностиContinuumSLII-10накачка лазер
OPO лазерContinuumSurelite OPO PLUSнастраиваемый лазер
PrismsThorlabsPS908доставка света
Ультразвуковой преобразовательOlympus NDTV3085 МГц
Ультраундпульсер/приемникOlympus NDT5072PRусилитель
ОсциллографTektronixTDS5054сбора данных
Сканирующий столикDanaher DoverXY6060растровое сканирование
Метиленовый синийSigma-AldrichM9140-25GКонтрастное вещество
КрысыHarlanSpague-Dawleyживотное субъект
Изофторан испарительEuthanexEZ-155анестезия
Гель для ультразвукаSonotechClear Image одинарнаяакустическая муфта

Ссылки

  1. Riccabona, M. Cystography in infants and children: a critical appraisal of the many forms with special regard to voiding cystourethrography. Eur. Radiol. 12 (12), 2910-2918 (2002).
  2. Khattar, N., Dorairajan, L. N., Kumar, S., Pal, B. C., Elangovan, S., Nayak, P. Giant obstructive megaureter causing contralateral ureteral obstruction and hydronephrosis: a first-time report. Urology. 74 (6), 1306-1308 (2009).
  3. Lim, R. Vesicoureteral reflux and urinary tract infection: evolving practices and current controversies in pediatric imaging. AJR Am. J. Roentgenol. 192 (5), 1197-1208 (2009).
  4. Scardapane, A., Pagliarulo, V., Ianora, A. A., Pagliarulo, A., Angelelli, G. Contrast-enhanced multislice pneumo-CT-cystography in the evaluation of urinary bladder neoplasms. Eur. J. Radiol. 66 (2), 246-252 (2008).
  5. Verpoorten, C., Buyse, G. M. The neurogenic bladder: medical treatment. Pediatr. Nephrol. 23 (5), 717-725 (2008).
  6. Ron, E. Let's not relive the past: a review of cancer risk after diagnostic or therapeutic irradiation. Pediatr. Radiol. 32 (10), 739-744 (2002).
  7. Berrington De Gonzalez, A., Darby, S. Risk of cancer from diagnostic X-rays: estimates for the UK and 14 other countries. Lancet. 363 (9406), 345-351 (2004).
  8. Kim, C., Favazza, C., Wang, L. V. In vivo photoacoustic tomography of chemicals: high-resolution functional and molecular optical imaging at new depths. Chem. Rev. 110 (5), 2756-2782 (2010).
  9. Ke, H., Erpelding, T. N., Jankovic, L., Liu, C., Wang, L. V. Performance characterization of an integrated ultrasound, photoacoustic, and thermoacoustic imaging system. J. Biomed. Opt. 17 (5), 056010(2012).
  10. Akers, W. J., Kim, C., Berezin,, et al. Noninvasive Photoacoustic and Fluorescence Sentinel Lymph Node Identification using Dye-Loaded Perfluorocarbon Nanoparticles. Acs Nano. 5 (1), 173-182 (2011).
  11. Jiao, S. L., Jiang, M. S., Hu, J., et al. Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging. Opt. Express. 18 (4), 3967-3972 (2010).
  12. Kim, C., Cho, E. C., Chen, J., et al. In vivo molecular photoacoustic tomography of melanomas targeted by bioconjugated gold nanocages. Acs Nano. 4 (8), 4559-4564 (2010).
  13. Kim, C., Song, H. M., Cai, X., Yao, J., Wei, A., Wang, L. V. In vivo photoacoustic mapping of lymphatic systems with plasmon-resonant nanostars. J. Mater. Chem. 21 (9), 2841-2844 (2011).
  14. Wang, X., Pang, Y., Ku, G., Xie, X., Stoica, G., Wang, L. V. Noninvasive laser-induced photoacoustic tomography for structural and functional in vivo imaging of the brain. Nat. Biotechnol. 21 (7), 803-806 (2003).
  15. Xie, Z., Roberts, W., Carson, P., Liu, X., Tao, C., Wang, X. Evaluation of bladder microvasculature with high-resolution photoacoustic imaging. Opt. Lett. 36 (24), 4815-4817 (2011).
  16. Zhang, H. F., Maslov, K., Stoica, G., Wang, L. V. Functional photoacoustic microscopy for high-resolution and noninvasive in vivo imaging. Nat. Biotechnol. 24 (7), 848-851 (2006).
  17. Kim, C., Jeon, M., Wang, L. V. Nonionizing photoacoustic cystography in vivo. Opt. Lett. 36 (18), 3599-3601 (2011).
  18. Homan, K., Kim, S., Chen, Y. S., Wang, B., Mallidi, S., Emelianov, S. Prospects of molecular photoacoustic imaging at 1064 nm wavelength. Opt. Lett. 35 (15), 2663-2665 (2010).
  19. Chang, S. L., Shortliffe, L. D. Pediatric urinary tract infections. Pediatr. Clin. N. Am. 53 (3), 379(2006).
  20. 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).
  21. Ermilov, S. A., Khamapirad, T., Conjusteau, A., et al. Laser optoacoustic imaging system for detection of breast cancer. J. Biomed. Opt. 14 (2), 024007(2009).
  22. Erpelding, T. N., Kim, C., Pramanik, M., et al. Sentinel lymph nodes in the rat: noninvasive photoacoustic and US imaging with a clinical US system. Radiology. 256 (1), 102-110 (2010).
  23. Kim, C., Erpelding, T. N., Jankovic, L., Wang, L. V. Performance benchmarks of an array-based hand-held photoacoustic probe adapted from a clinical ultrasound system for non-invasive sentinel lymph node imaging. Philos. Transact. A. Math Phys. Eng. Sci. 369 (1955), 4644-4650 (1955).
  24. Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. 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. Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).
  25. Kruger, R. A., Kiser, W. L., Reinecke, D. R., Kruger, G. A. Thermoacoustic computed tomography using a conventional linear transducer array. Medical Physics. 30 (5), 856-860 (2003).
  26. Kruger, R. A., Lam, R. B., Reinecke, D. R., Del Rio, S. P., Doyle, R. P. Photoacoustic angiography of the breast. Med. Phys. 37 (11), 6096-6100 (2010).
  27. Manohar, S., Kharine, A., Van Hespen, J. C., Steenbergen, W., Van Leeuwen, T. G. The Twente Photoacoustic Mammoscope: system overview and performance. Phys. Med. Biol. 50 (11), 2543-2557 (2005).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

ex vivo

Похожие статьи