Denne protokollen demonstrerer robot ultralyd (USA) som et praktisk, kostnadseffektivt og raskt alternativ til tradisjonelle ikke-invasive bildemodaliteter.
Vanlige modaliteter for in vivo-avbildning av gnagere inkluderer positronutslippstomografi (PET), beregnet tomografi (CT), magnetisk resonansavbildning (MR) og ultralyd (USA). Hver metode har begrensninger og fordeler, inkludert tilgjengelighet, brukervennlighet, kostnad, størrelse og bruk av ioniserende stråling eller magnetiske felt. Denne protokollen beskriver bruken av 3D robotic US for in vivo-avbildning av gnager nyrer og hjerte, påfølgende dataanalyse og mulige forskningsapplikasjoner. Praktiske anvendelser av robot-USA er kvantifisering av totalt nyrevolum (TKV), samt måling av cyster, svulster og vaskulatur. Selv om oppløsningen ikke er så høy som andre modaliteter, gir robotisert USA mulighet for mer praktisk innsamling av data med høy gjennomstrømning. Ved bruk av amerikansk M-modus-avbildning kan hjertefunksjonen kvantifiseres. Siden nyrene får 20% -25% av hjerteutgangen, er vurdering av hjertefunksjon avgjørende for forståelsen av nyrefysiologi og patofysiologi.
De vanligste modalitetene for in vivo gnageravbildning inkluderer positronutslippstomografi (PET), optisk avbildning (OI), beregnet tomografi (CT), magnetisk resonansavbildning (MR) og ultralyd (USA). Disse teknikkene gir in vivo-bilder med høy oppløsning, slik at undersøkere kvantitativt kan vurdere og langsgående følge sykdomsmodeller som ikke er invasivt1. Mens hver bildemodalitet har begrensninger, gir de også uvurderlige verktøy for preklinisk forskning.
Her beskriver studien et amerikansk system og presenterer protokollen for robot- og 3D-gnageravbildning. Amerikanske bølger produseres av en sonde kalt en svinger, som vanligvis holdes for hånd. Lydbølger reflekteres tilbake når de samhandler med vev, og ekkoene rekonstrueres til bilder2. Protokollen beskrevet her vil fokusere på nyre- og hjerteavbildning ved hjelp av en robotstyrt transduser og bruke programvare som tillater rask 3D-rekonstruksjon for kvantitativ vurdering.
Robotic US er en rask, pålitelig og ikke-invasiv avbildningsmodalitet som gjør det mulig for etterforskere å gjennomføre studier med høy gjennomstrømning og langsgående studier. Sammenlignet med håndholdte amerikanske metoder er den robotiserte amerikanske metoden tidseffektiv, da opptil tre dyr kan skannes i løpet av få minutter. Høy gjennomstrømning for nyremålinger tyder på at opptil 20 mus per time kan avbildes. Robottransduserne er plassert under de akustiske membranene og beveger seg uavhengig av dyret med to frihetsgrader (figur 1A). Dette gjør det mulig for nybegynnere å skaffe bilder av høy kvalitet, mens håndholdte amerikanske metoder er mer utsatt for brukerfeil. Den koblede programvaren tillater effektiv 3D-nyrerekonstruksjon i sanntid. Tidligere har magnetisk resonansavbildning (MR) vært en utbredt metode for ikke-invasiv avbildning på grunn av den utmerkede bløtvevskontrasten, mangelen på radioaktivitet og penetrasjonsdybde. MR krever imidlertid ofte lange anskaffelsestider og er kostbar å utføre. USA har blitt evaluert som et pålitelig og raskere alternativ til MR i vurderingen av totalt nyrevolum (TKV)3.
Ultralyd utnytter lydbølger, og eventuelle barrierer for lydbølgeutbredelse vil forstyrre bildekvaliteten. Dermed er fullstendig hårfjerning av området som skal avbildes kritisk. Det er også viktig å sikre fullstendig fjerning av depilatorisk krem, da det kan forårsake brannskader / irritasjon av dyrets hud og misfarge skannerens gjennomsiktige membran. Tilstrekkelig vannstand i buktene er nødvendig for optimal lydbølgeutbredelse, og kreves derfor for å oppnå den høyeste bildeoppløsningen. Men når dyret er i en utsatt posisjon, må du sørge for at dyrets snute er over vannstanden eller at dyret er i fare for vanninnånding. Optimalisering av bildeparametere, spesielt brennvidde, er avgjørende for å få bilder av høy kvalitet. Modifikasjoner på parametere kan være nødvendig for individuelle dyr.
Robotic US gir mange fordeler i forhold til tradisjonelle håndholdte amerikanske modaliteter. For det første bruker systemet et enkelt pek-og-klikk kamerabasert grensesnitt. Denne funksjonen tar for seg kompleksiteten i konvensjonelle USA og produserer konsistente data selv når de drives av en nybegynner bruker6. For det andre tillater systemet bruk av vann i stedet for tradisjonell amerikansk gel som et akustisk medium. Tidligere tillot bruken av amerikansk gel dannelsen av bobler som forstyrret kvalitetsbildeanskaffelse. Den amerikanske gelen er også rotete og gir utfordringer for opprydding. Videre blir vannet oppvarmet av varmelampen og bidrar til å opprettholde dyrets kroppstemperatur. For det tredje er det robotiserte USA raskere, så gjenstander fra respiratorisk bevegelse er ikke problematiske. Den økte bildehastigheten gjør det mulig å fullføre datainnsamling med høy gjennomstrømning. For det fjerde får robot-USA 3D-bilder, og gjør derfor 3D-rekonstruksjon av objekter enkelt (figur 4). MR og andre modaliteter er dyre, tidkrevende og ikke alltid tilgjengelige. Det er viktig at det robotiserte amerikanske systemet passer på et bord eller en benk og er mer kostnadseffektivt. Til slutt viste tidligere arbeid at robotisert USA kunne gi sammenlignbare måledata til dyrere modaliteter, for eksempel MR3.
Mens bildekvaliteten og oppløsningen til det robotiserte amerikanske systemet som er beskrevet i dette arbeidet, var tilstrekkelig for den foreslåtte applikasjonen (figur 7), er det flere måter bildekvaliteten kan forbedres i fremtiden. Bruk av svingere med høyere frekvens (f.eks. 50-70 MHz) vil for eksempel resultere i bilder med høyere oppløsning med bedre funksjonsdefinisjon. Mens bruk av høyere frekvenser vil resultere i en dårligere dybde av penetrasjon, bildene bør være tilstrekkelig for in vivo avbildning av overfladiske organer, for eksempel musen nyre. Som med andre bildemodaliteter, kan kontrastmidler brukes til å forbedre spesifikke funksjoner. For USA betyr dette vanligvis å bruke noe svært reflekterende av lydbølger. Intravaskulære mikrobobler der lipider omgir svært små gassbobler er et slikt middel. Gassboblene i mikronstørrelse er svært reflekterende og gir dermed et annet tydelig signal som oversettes til en høy oppløsning av vaskulatur7. Selv om denne akustiske kontrastteknikken kan være ganske nyttig, kan den ha flere ulemper. For det første må mikroboblene gjøres friske og bare vedvare in vivo i 5-10 min. For det andre krever in vivo intravaskulær injeksjon vanligvis tail veil kateterisering for injeksjon, og dette kan være teknisk utfordrende. Under visse omstendigheter og pulserende regimer kan mikrobubble-avbildning i seg selv føre til nyrevaskulaturskade8.
Det er også noen mer generelle begrensninger i det aktuelle amerikanske systemet som brukes. For det første er bare en lineær matrise (sentrert ved 18 MHz) inkludert i robotkabinettet, så det er for øyeblikket ikke mulig å bytte til høyere eller lavere frekvenssonder. Dette kan påvirke bredden av modeller (enten større eller mindre) som kan evalueres med systemet. Fremtidige gjentakelser av instrumentet bør inneholde flere lineære matriser for å dekke hele spekteret av prekliniske dyremodeller. For det andre kan svingervinkelen i forhold til dyremotivet ikke kontrolleres. Derfor krever det å utføre vinkelavhengige bildeteknikker, for eksempel Doppler, eller oppnå alternative in-plane visninger av visse organer (f.eks. lang aksevisning av nyre) omplassering av dyret og kan være vanskelig å oppnå. Ytterligere frihetsgrader kan legges til robotbevegelsen for å forbedre denne utfordringen. For det tredje har vi noen ganger observert gjenklangartefakter som oppstår fra den akustiske membranen som skiller dyret fra transduseren som kan skjule visualisering av overfladiske egenskaper og grenser. I disse tilfellene kan bruk av gel standoff for å heve dyret bort fra membranen rette opp situasjonen. Til slutt er temperaturkontroll via varmelampe upresis, og derfor må det tas hensyn til dyrets kjerne kroppstemperatur mens du forestiller deg. Mer kontrollerte varmemekanismer, for eksempel en integrert varmepute, vil sannsynligvis forbedre homeostasestyring og bildegjennomstrømning.
Bruken av robot-USA kan gjelde for ulike forskningsfelt. Denne teknologien muliggjør visualisering av grove vevsstrukturer, og kan dermed brukes til å spore tumorprogresjon og potensielle terapier6,9 samt nyremorfologi som presentert her. Evnen til å segmentere de spesifikke egenskapene til bildene gjør det til et attraktivt verktøy for å studere modeller av polycystisk nyresykdom (PKD)3. M-modus bilder tillater enkel kvantifisering av mange viktige hjerteparametere som muliggjør in vivo vurdering av hjertefysiologi. Ettersom nyrene får 20% -25% av hjerteutgangen10, er det viktig å forstå hjertefunksjon under langsgående vurdering av nyrepatologi. Gjennom disse amerikanske protokollene har vi forsøkt å illustrere at amerikansk avbildning ikke bare er praktisk for in vivo– og langsgående nyrestudier, men også at stadig mer amerikanske verktøy muliggjør både morfologiske så vel som fysiologiske vurderinger av mus i prekliniske studier.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av NIH (R43-DK126607, TJC, TLK, MFR) og Mayo Foundation.
Electric Razor | Braintree Scientific, Inc | CLP-9868 14 | |
C57bk6j | The Jackson laboratory | https://www.jax.org/ | |
Cotton gauze pads | Fisher Scientific | ||
Cotton tipped applicators | Fisher Scientific | ||
Depilatory cream | N/a | N/a | This study used Nair |
Heat lamp | Included with SonoVol Vega system | ||
Robotic Ultrasound System | SonoVol Inc | SonoVol Vega system includes anesthesia system | |
SonoEQ Software | SonoVol | Included with SonoVol Vega system | |
TERRELL Isoflurane | Piramal Critical Care, Inc | NDC 66794-019-10 |