Fotoakoestische cystography
Summary
Fotoakoestische cystography (PAC) heeft een groot potentieel om urineblazen, een straling gevoelige intern orgaan bij pediatrische patiënten, in kaart zonder gebruik van ioniserende straling of giftige contrastmiddel. Hier laten we zien het gebruik van PAC voor het in kaart brengen urineblazen met een injectie van optische-opake tracers bij ratten<em> In vivo</em>.
Abstract
Conventionele pediatrische cystography, gebaseerd op diagnostische X-ray met een radio-opake kleurstof, lijdt het gebruik van schadelijke ioniserende straling. Het risico op blaaskanker bij kinderen als gevolg van blootstelling aan straling is belangrijker dan veel andere vormen van kanker. Hier laten we de uitvoerbaarheid van niet ioniserende en niet-invasieve fotoakoestische (PA) beeldvorming van urineblazen, genaamd fotoakoestische cystography (PAC), met nabij-infrarood (NIR) optische absorptiemiddelen (bijvoorbeeld methyleenblauw, goud plasmonische nanostructuren of enkelwandige koolstofnanobuizen ) als een optische-troebele tracer. We hebben met succes belicht een rat blaas gevuld met de optische absorberende agenten met behulp van een donker-veld confocale PAC systeem. Na transurethrale injectie van de contrastmiddelen, blazen de rat waren photoacoustically gevisualiseerd door het bereiken van aanzienlijke PA verbetering van het signaal. De accumulatie werd gevalideerd door spectroscopische PA beeldvorming. Verder, door slechts een laserpulsenergievan minder dan 1 mJ / cm 2 (1/20 van de veiligheidsgrens), kan het actuele beeldvormingssysteem de methyleenblauw-gevulde blaas-rat-kaart op een diepte van meer dan 1 cm in biologische weefsels in vivo. Zowel in vivo en ex vivo PA beeldvorming resultaten te valideren dat de contrastmiddelen natuurlijk werden uitgescheiden via urineren. Dus, er is geen bezorgdheid over toxisch middel lange termijn accumulatie, die klinische vertaling zal vergemakkelijken.
Introduction
X-ray cystography 1 is een beeldvormende proces blaas-gerelateerde ziekten, zoals blaaskanker, vesicoureteral reflux, stagnatie van ureters, neurogene blaas, enz. identificeren. 2-5 Gewoonlijk urine worden geannuleerd en een radiopaak middel wordt geïnjecteerd door een catheter. Vervolgens worden fluoroscopische röntgenbeelden verworven urineblazen bakenen. De belangrijkste veiligheidskwestie is dat schadelijke ioniserende straling wordt gebruikt in deze procedure. Het percentage cumulatieve risico kanker leeftijd 75 jaar als gevolg van diagnostische röntgenstraling varieert 0,6-1,8%. 6 Bovendien carcinogene dreiging significant bij pediatrische patiënten. Een Britse studie toonde aan dat bij 9 belangrijkste interne organen, de gemiddelde jaarlijkse stralingsdosis van diagnostische röntgenstralen was het hoogst in de blazen in vrouwelijke kinderen jonger dan 4 en de tweede hoogste in mannelijke kinderen jonger dan 4. 7 Dit geeft aan dat het risico van blaaskanker het grootst is bij pediatrische patiënten. Although pediatrische radiologen trachten de blootstelling aan straling te verminderen tarief zo laag als redelijkerwijs mogelijk is, ioniserende straling niet volledig kunnen worden uitgesloten. Daarom is de beperking creëert een behoefte aan een volledig straling vrij, gevoelig, kosteneffectieve en hoge-resolutie beeldvormende modaliteit met radioactieve contrastmiddelen in cystography.
Onlangs, fotoakoestische tomografie (PAT) is uitgegroeid tot een vooraanstaande biomedische beeldvorming modaliteit omdat PAT sterke optische absorptie contrasten en een hoge ultrasone ruimtelijke resolutie in biologische weefsels kunnen leveren. 8 Het principe van PAT is dat ultrasone golven worden veroorzaakt als gevolg van thermo-elastische uitzetting van een doel gevolgd door de absorptie van licht. Door het detecteren tijdopgeloste akoestische golven reizen via een medium, twee-of drie-dimensionale foto-akoestische (PA) beelden worden gevormd. Aangezien ultrageluid (US) veel minder zwaar in weefsels vergeleken licht (gewoonlijk twee of drie orden van grootte), debeeldvorming diepte van PAT kan oplopen tot ~ 8 cm in de weefsels, terwijl de ruimtelijke resolutie wordt gehandhaafd tot 1/200 van de beeldvorming diepte 9 De belangrijkste voordelen van PAT voor de cystographic toepassing zijn:. (1) PAT is volledig vrij van ioniserende straling. (2) ClinicalUSimaging systemen kunnen gemakkelijk worden aangepast aan leveren dual-modale PA en Amerikaanse imaging-mogelijkheden. Aldus kan de dual-modale PA / US beeldvormingssysteem relatief draagbaar, kosteneffectief en snel, die belangrijke criteria voor snelle klinische toepassing. Met behulp van zowel endogene en exogene contrasten, heeft PAT verstrekt hoge-resolutie morfologische, functionele en moleculaire beeldvorming van weefsels te studeren tumor fysiopathologie, hersenen hemodynamiek, interne organen, oogheelkunde, angiografie, en etc. 10-16
In dit artikel tonen we aan de experimentele protocollen van niet ioniserende fotoakoestische cystography (PAC) met behulp van nabij-infrarood (NIR) optisch absorberende stoffen (dwz methyleenblauw, gaanld nanocages, of enkelwandige koolstof nanobuisjes) als niet-toxisch optische-troebele tracers. Rat blazen gevuld met de contrastmiddelen werden photoacoustically en spectroscopisch afgebakend in vivo. Geen middelen voortdurend geaccumuleerd in de blaas en de nieren van de ratten. Aldus kan langdurige toxiciteit die kan worden veroorzaakt door ophoping middel worden uitgesloten. Dit resultaat impliceert dat PAC combinatie van de optische absorbers potentieel werkelijk onschadelijk cystographic modaliteit voor pediatrische patiënten zijn. De systeemconfiguratie, systeem uitlijning, en in vivo / ex vivo beeldvorming procedures worden besproken in dit artikel.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tot slot, hebben we laten zien de mogelijkheid van NONIONISERENDE PAC gebruik toxisch optische dempers in een rat-model in vivo. We hebben met succes belicht een rat blaas gevuld met optische absorberende gebruik van onze niet ioniserende en niet-invasieve PAC systeem. Twee kritieke veiligheidsproblemen zijn opgelost in onze aanpak: (1) het gebruik van niet ioniserende straling voor cystographic applicaties en (2) geen accumulatie van contrastmiddelen in het lichaam.
Onze klinische …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd mede ondersteund door een subsidie van de pilotstudies-programma van de Universiteit van Buffalo klinisch en translationeel Research Center en de Buffalo Translationeel Consortium, een subsidie van Roswell Park Alliance Foundation, opstarten fondsen van de Universiteit van Buffalo, IT Consilience Creative Program van MKE en NIPA (C1515-1121-0003) en NRF toekenning van MEST (2012-0009249).
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Q-switched Nd:YAG laser | Continuum | SLII-10 | pump laser |
| OPO laser | Continuum | Surelite OPO PLUS | tunable laser |
| Prisms | Thorlabs | PS908 | light deliver |
| Ultrasound transducer | Olympus NDT | V308 | 5 MHz |
| Ultraoundpulser/receiver | Olympus NDT | 5072PR | amplifier |
| Oscilloscope | Tektronix | TDS5054 | data acquisition |
| Scanning stage | Danaher Dover | XY6060 | raster scanning |
| Methylene blue | Sigma-Aldrich | M9140-25G | contrast agent |
| Rats | Harlan | Spague-Dawley | animal subject |
| Isoflourane vaporizer | Euthanex | EZ-155 | anesthesia |
| Ultrasound gel | Sonotech | Clear Image singles | acoustic coupling |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Verpoorten, C., Buyse, G. M. The neurogenic bladder: medical treatment. Pediatr. Nephrol. 23 (5), 717-725 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jiao, S. L., Jiang, M. S., Hu, J., et al. Photoacoustic ophthalmoscopy for in vivo retinal imaging. Opt. Express. 18 (4), 3967-3972 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kim, C., Jeon, M., Wang, L. V. Nonionizing photoacoustic cystography in vivo. Opt. Lett. 36 (18), 3599-3601 (2011).
- 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).
- Chang, S. L., Shortliffe, L. D. Pediatric urinary tract infections. Pediatr. Clin. N. Am. 53 (3), 379 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
