Detta protokoll visar robot ultraljud (USA) som ett praktiskt, kostnadseffektivt och snabbt alternativ till traditionella icke-invasiva bild modaliteter.
Vanliga metoder för in vivo imaging av gnagare inkluderar positron emission tomography (PET), datortomografi (CT), magnetisk resonans imaging (MRI) och ultraljud (USA). Varje metod har begränsningar och fördelar, inklusive tillgänglighet, användarvänlighet, kostnad, storlek och användning av joniserande strålning eller magnetfält. Detta protokoll beskriver användningen av 3D robot us för in vivo imaging av gnagare njurar och hjärta, efterföljande data analys och möjliga forskningsapplikationer. Praktiska tillämpningar av robotiska USA är kvantifiering av total njurvolym (TKV), liksom mätning av cystor, tumörer och vaskulatur. Även om upplösningen inte är lika hög som andra metoder, möjliggör robot-USA mer praktisk datainsamling med hög genomströmning. Med hjälp av amerikansk M-lägesavbildning kan hjärtfunktionen dessutom kvantifieras. Eftersom njurarna får 20-25% av hjärtproduktionen är bedömning av hjärtfunktionen avgörande för förståelsen av njurfysiologi och patofysiologi.
De vanligaste formerna för in vivo gnagare imaging inkluderar positron emission tomography (PET), optisk avbildning (OI), datortomografi (CT), magnetisk resonans imaging (MRI) och ultraljud (USA). Dessa tekniker ger högupplösta in vivo-bilder, vilket gör det möjligt för prövare att kvantitativt bedöma och longitudinellt följa sjukdomsmodeller icke-invasivt1. Även om varje bildframställning modalitet har begränsningar, ger de också ovärderliga verktyg för preklinisk forskning.
Här beskriver studien ett amerikanskt system och presenterar protokollet för robot- och 3D-gnagare. Amerikanska vågor produceras av en sond som kallas en givare, som vanligtvis hålls för hand. Ljudvågor reflekteras tillbaka när de interagerar med vävnader, och ekon rekonstrueras till bilder2. Protokollet som beskrivs här kommer att fokusera på njur- och hjärtavbildning med hjälp av en robotiskt kontrollerad givare och med hjälp av programvara som möjliggör snabb 3D-rekonstruktion för kvantitativ bedömning.
Robotic US är en snabb, pålitlig och icke-invasiv bildframställning modalitet som gör det möjligt för forskare att genomföra hög genomströmning och longitudinella studier. Jämfört med handhållna amerikanska metoder är den robotiska amerikanska metoden tidseffektiv, eftersom upp till tre djur kan skannas på några minuter. Hög genomströmning för njurmätningar tyder på att upp till 20 möss per timme kan avbildas. Robottransduktörerna är placerade under de akustiska membranen och rör sig oberoende av djuret med två frihetsgrader (figur 1A). Detta gör det möjligt för nybörjare att få högkvalitativa bilder, medan handhållna amerikanska metoder är mer mottagliga för användarfel. Den kopplade programvaran möjliggör effektiv 3D-njurrekonstruktion i realtid. Tidigare har magnetisk resonans imaging (MRI) varit en utbredd metod för icke-invasiva imaging på grund av den utmärkta mjukvävnad kontrast, brist på radioaktivitet och penetration djup. MRT kräver dock ofta långa förvärvstider och är kostsamt att utföra. USA har utvärderats som ett tillförlitligt och snabbare alternativ till MRT vid bedömning av total njurvolym (TKV)3.
Ultraljud använder ljudvågor, och eventuella hinder för ljudvågsutbredning kommer att störa bildkvaliteten. Således är fullständig hårborttagning av det område som ska avbildas kritisk. Det är också viktigt att säkerställa fullständig borttagning av depilatorisk kräm eftersom det kan orsaka brännskador / irritation av djurets hud och missfärga skannerns genomskinliga membran. Tillräckliga vattennivåer i vikarna är nödvändiga för optimal spridning av ljudvågor, vilket krävs för att få högsta bildupplösning. Men när djuret är i ett benägen läge, se till att djurets nos är över vattennivån eller att djuret riskerar att bli inandat av vatten. Optimering av bildparametrar, särskilt brännvidd, är avgörande för att få högkvalitativa bilder. Ändringar av parametrar kan vara nödvändiga för enskilda djur.
Robotic US ger många fördelar jämfört med traditionella handhållna amerikanska metoder. Först använder systemet ett enkelt peka-och-klicka-kamerabaserat gränssnitt. Den här funktionen åtgärdar komplexiteten i konventionella AMERIKANSKA och producerar konsekventa data även när den drivs av en nybörjare6. För det andra tillåter systemet användning av vatten snarare än traditionell amerikansk gel som akustiskt medium. Tidigare tillät användningen av amerikansk gel bildandet av bubblor som störde kvalitetsbildförvärv. Dessutom är den amerikanska gelen rörig och ger utmaningar för sanering. Vidare värms vattnet av värmelampan och hjälper till att upprätthålla djurets kroppstemperatur. För det tredje är robot-USA snabbare, så artefakter från andningsrörelser är inte problematiska. Den ökade bildhastigheten gör det möjligt att praktiskt slutföra datainsamling med högt genomströmning. För det fjärde får robot-USA 3D-bilder och gör därför 3D-rekonstruktion av objekt enkel (figur 4). MRI och andra modaliteter är dyra, tidskrävande och inte alltid tillgängliga. Viktigt är att det amerikanska robotsystemet passar på ett bord eller en bänk och är mer kostnadseffektivt. Slutligen visade tidigare arbete att robot-USA kunde tillhandahålla jämförbara mätdata med dyrare modaliteter, såsom MRI3.
Även om bildkvaliteten och upplösningen på det robotiska amerikanska systemet som beskrivs i detta arbete var tillräcklig för den föreslagna applikationen (figur 7), finns det flera sätt att förbättra bildkvaliteten i framtiden. Till exempel skulle användning av högre frekvensgivare (t.ex. 50-70 MHz) resultera i bilder med högre upplösning med bättre funktionsdefinition. Medan användning av högre frekvenser skulle resultera i ett sämre penetrationsdjup, bör bilderna vara tillräckliga för in vivo-avbildning av ytliga organ, såsom mus njuren. Liksom med andra bildframställningsmetoder kan kontrastmedel användas för att förbättra specifika funktioner. För USA innebär detta vanligtvis att använda något som är mycket reflekterande av ljudvågor. Intravaskulära mikrobubblor där lipider omger mycket små gasbubblor är ett sådant medel. De mikronstora gasbubblorna är mycket reflekterande och ger därmed en andra distinkt signal som översätts till en högupplöst vaskulatur7. Även om denna akustiska kontrastteknik kan vara ganska användbar, kan den ha flera nackdelar. Först måste mikrobubblorna göras färska och endast kvarstå in vivo i 5-10 min. För det andra, in vivo intravaskulära injektion kräver vanligtvis svans slöja catheterization för injektion, och detta kan vara tekniskt utmanande. Under vissa omständigheter och pulserande regimer kan mikrobubble imaging i sig leda till njurmedicinska vaskulatur skador8.
Det finns också några mer allmänna begränsningar för det specifika amerikanska systemet som används. För det första ingår endast en linjär matris (centrerad vid 18 MHz) i robotchassit, så det är för närvarande inte möjligt att byta till högre eller lägre frekvenssonder. Detta kan påverka bredden på modeller (antingen större eller mindre) som kan utvärderas med systemet. Framtida iterationer av instrumentet bör omfatta flera linjära matriser för att täcka hela skalan av prekliniska djurmodeller. För det andra kan givarens vinkel i förhållande till djurpersonen inte kontrolleras. Att utföra vinkelberoende avbildningstekniker, såsom Doppler, eller att uppnå alternativa sikt i plan av vissa organ (t.ex. lång axelvy av njure) kräver därför ompositionering av djuret och kan vara svårt att uppnå. Ytterligare frihetsgrader skulle kunna läggas till robotrörelsen för att förbättra denna utmaning. För det tredje har vi ibland observerat efterklangsartefakter som härrör från det akustiska membranet som skiljer djuret från givaren som kan dölja visualisering av ytliga funktioner och gränser. I dessa fall kan användning av en gel standoff för att höja djuret bort från membranet åtgärda situationen. Slutligen är temperaturreglering via värmelampa oprecis, och därför måste noggrann uppmärksamhet ägnas åt djurets kärnkroppstemperatur vid avbildning. Mer kontrollerade uppvärmningsmekanismer, såsom en integrerad värmeplatta, kommer sannolikt att förbättra homeostashantering och bildgenomströmning.
Användningen av robot-USA kan vara tillämplig på olika forskningsområden. Denna teknik möjliggör visualisering av brutto vävnad strukturer, således kan användas för att spåra tumör progression och potentiella terapier6,9 samt njurmorfologi som presenteras här. Förmågan att segmentera bildernas specifika egenskaper gör det till ett attraktivt verktyg för att studera modeller av polycystisk njursjukdom (PKD)3. M-läge bilder möjliggör enkel kvantifiering av många viktiga hjärtparametrar möjliggör in vivo bedömning av hjärtfysiologi. Eftersom njurarna får 20-25% av hjärtproduktionen10 är det viktigt att förstå hjärtfunktionen under den longitudinella bedömningen av njurpatologi. Genom dessa amerikanska protokoll har vi försökt illustrera att amerikansk avbildning inte bara är praktisk för in vivo– och longitudinella njurstudier utan också att allt mer amerikanska verktyg möjliggör både morfologisk och fysiologisk bedömning av möss i prekliniska studier.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av NIH (R43-DK126607, TJC, TLK, MFR) och 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 |