Denne protokol demonstrerer robot ultralyd (USA) som et praktisk, omkostningseffektivt og hurtigt alternativ til traditionelle ikke-invasive billedmodaliteter.
Almindelige modaliteter til in vivo-billeddannelse af gnavere omfatter positronemissionstomografi (PET), computertomografi (CT), magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og ultralyd (USA). Hver metode har begrænsninger og fordele, herunder tilgængelighed, brugervenlighed, omkostninger, størrelse og brugen af ioniserende stråling eller magnetfelter. Denne protokol beskriver brugen af 3D-robot USA til in vivo-billeddannelse af gnaverens nyrer og hjerte, efterfølgende dataanalyse og mulige forskningsapplikationer. Praktiske anvendelser af robot USA er kvantificering af total nyrevolumen (TKV) samt måling af cyster, tumorer og vaskulatur. Selvom opløsningen ikke er så høj som andre modaliteter, giver robot USA mulighed for mere praktisk dataindsamling med høj gennemstrømning. Desuden kan hjertefunktionen kvantificeres ved hjælp af amerikansk M-mode billeddannelse. Da nyrerne modtager 20% -25% af hjerteproduktionen, er vurdering af hjertefunktionen afgørende for forståelsen af nyrefysiologi og patofysiologi.
De mest almindelige modaliteter for in vivo gnaverbilleddannelse omfatter positronemissionstomografi (PET), optisk billeddannelse (OI), computertomografi (CT), magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og ultralyd (USA). Disse teknikker giver in vivo-billeder i høj opløsning, hvilket gør det muligt for efterforskere kvantitativt at vurdere og langsgående følge sygdomsmodeller ikke-invasivt1. Mens hver billeddannelsesmodalitet har begrænsninger, giver de også uvurderlige værktøjer til præklinisk forskning.
Her beskriver undersøgelsen et amerikansk system og præsenterer protokollen til robot- og 3D-gnaverbilleddannelse. Amerikanske bølger produceres af en sonde kaldet en transducer, som typisk holdes håndholdt. Lydbølger reflekteres tilbage, når de interagerer med væv, og ekkoerne rekonstrueres til billeder2. Protokollen beskrevet her vil fokusere på nyre- og hjertebilleddannelse ved hjælp af en robotstyret transducer og ved hjælp af software, der muliggør hurtig 3D-rekonstruktion til kvantitativ vurdering.
Robotic US er en hurtig, pålidelig og ikke-invasiv billeddannelsesmodalitet, der gør det muligt for efterforskere at gennemføre undersøgelser med høj gennemstrømning og langsgående undersøgelser. Sammenlignet med håndholdte amerikanske metoder er den amerikanske robotmetode tidseffektiv, da op til tre dyr kan scannes på få minutter. Høj gennemstrømning til nyremålinger tyder på, at op til 20 mus i timen kan afbildes. Robottransducerne er placeret under de akustiske membraner og bevæger sig uafhængigt af dyret med to frihedsgrader (figur 1A). Dette giver nybegyndere mulighed for at få billeder af høj kvalitet, mens håndholdte amerikanske metoder er mere modtagelige for brugerfejl. Den koblede software muliggør effektiv 3D-nyrerekonstruktion i realtid. Tidligere har magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) været en udbredt metode til ikke-invasiv billeddannelse på grund af den fremragende bløddelskontrast, mangel på radioaktivitet og penetrationsdybde. MR kræver dog ofte lange anskaffelsestider og er dyrt at udføre. USA er blevet evalueret som et pålideligt og hurtigere alternativ til MR ved vurdering af total nyrevolumen (TKV)3.
Ultralyd bruger lydbølger, og eventuelle barrierer for udbredelse af lydbølger vil forstyrre billedkvaliteten. Således er fuldstændig hårfjerning af det område, der skal afbildes, kritisk. Det er også vigtigt at sikre fuldstændig fjernelse af hårfjerningscreme, da det kan forårsage forbrændinger/irritation af dyrets hud og misfarve scannerens gennemsigtige membran. Tilstrækkelig vandstand i bugterne er nødvendig for optimal lydbølgeudbredelse, hvilket er nødvendigt for at opnå den højeste billedopløsning. Når dyret er i en udsat position, skal du dog sikre, at dyrets snud er over vandstanden, eller at dyret er i fare for vandindånding. Optimering af billedparametre, især brændvidde, er afgørende for at opnå billeder af høj kvalitet. Ændringer af parametre kan være nødvendige for de enkelte dyr.
Robotic US giver mange fordele i forhold til traditionelle håndholdte amerikanske modaliteter. For det første bruger systemet en simpel peg-og-klik-kamerabaseret grænseflade. Denne funktion adresserer kompleksiteten af konventionelle USA og producerer konsistente data, selv når de betjenes af en nybegynderbruger6. For det andet tillader systemet brugen af vand i stedet for traditionel amerikansk gel som et akustisk medium. Tidligere tillod brugen af amerikansk gel dannelsen af bobler, der forstyrrede kvalitetsbilledoptagelse. Også den amerikanske gel er rodet og giver udfordringer til oprydning. Endvidere opvarmes vandet af varmelampen og hjælper med at opretholde dyrets kropstemperatur. For det tredje er robot-USA hurtigere, så artefakter fra åndedrætsbevægelse er ikke problematiske. Den øgede billedhastighed giver mulighed for praktisk gennemførelse af dataindsamling med høj kapacitet. For det fjerde opnår robot-USA 3D-billeder og gør derfor 3D-rekonstruktion af objekter enkel (figur 4). MR og andre modaliteter er dyre, tidskrævende og ikke altid tilgængelige. Det er vigtigt, at det amerikanske robotsystem passer på et bord eller en bænk og er mere omkostningseffektivt. Endelig viste tidligere arbejde, at robot-USA kunne levere sammenlignelige måledata med dyrere modaliteter, såsom MR3.
Mens billedkvaliteten og opløsningen af det amerikanske robotsystem, der er beskrevet i dette arbejde, var tilstrækkelig til den foreslåede applikation (figur 7), er der flere måder, hvorpå billedkvaliteten kan forbedres i fremtiden. For eksempel vil brug af transducere med højere frekvens (f.eks. 50-70 MHz) resultere i billeder med højere opløsning med bedre funktionsdefinition. Mens udnyttelse af højere frekvenser ville resultere i en dårligere dybde af penetration, bør billederne være tilstrækkelige til in vivo-billeddannelse af overfladiske organer, såsom musens nyre. Som med andre billeddannelsesmetoder kan kontrastmidler anvendes til at forbedre specifikke funktioner. For USA betyder det typisk at bruge noget, der i høj grad reflekterer lydbølger. Intravaskulære mikrobobler, hvor lipider omgiver meget små gasbobler, er et sådant middel. Gasboblerne i mikronstørrelse er meget reflekterende og giver således et andet tydeligt signal, der oversættes til en høj opløsning af vaskulatur7. Selvom denne akustiske kontrastteknik kan være ganske nyttig, kan den have flere ulemper. For det første skal mikroboblerne laves friske og kun fortsætte in vivo i 5-10 minutter. For det andet kræver in vivo intravaskulær injektion typisk haleslørkateterisering til injektion, og dette kan være teknisk udfordrende. Under visse omstændigheder og pulserende regimer kan mikroboblebilleddannelse i sig selv føre til skade på nyrevaskulaturen8.
Der er også nogle mere generelle begrænsninger for det særlige amerikanske system, der anvendes. For det første er kun et lineært array (centreret ved 18 MHz) inkluderet i robotchassiset, så det er i øjeblikket ikke muligt at skifte til sonder med højere eller lavere frekvens. Dette kan påvirke bredden af modeller (enten større eller mindre), der kan evalueres med systemet. Fremtidige iterationer af instrumentet bør omfatte flere lineære arrays for at dække hele spektret af prækliniske dyremodeller. For det andet kan transducervinklen i forhold til dyreforsøgspersonen ikke kontrolleres. Derfor kræver udførelse af vinkelafhængige billeddannelsesteknikker, såsom Doppler, eller opnåelse af alternative in-plane visninger af visse organer (f.eks. Langaksevisning af nyre) omplacering af dyret og kan være vanskeligt at opnå. Yderligere frihedsgrader kan føjes til robotbevægelsen for at afhjælpe denne udfordring. For det tredje har vi lejlighedsvis observeret efterklangsartefakter, der stammer fra den akustiske membran, der adskiller dyret fra transduceren, der kan skjule visualisering af overfladiske træk og grænser. I disse tilfælde kan brug af en gel standoff til at hæve dyret væk fra membranen afhjælpe situationen. Endelig er temperaturregulering via varmelampe upræcis, og derfor skal der lægges stor vægt på dyrets kropstemperatur under billeddannelsen. Mere kontrollerede opvarmningsmekanismer, såsom en integreret varmepude, vil sandsynligvis forbedre homeostasestyring og billeddannelsesgennemstrømning.
Brugen af robot-USA kan være anvendelig på forskellige forskningsområder. Denne teknologi muliggør visualisering af bruttovævsstrukturer og kan således bruges til at spore tumorprogression og potentielle terapier6,9 samt nyremorfologi som præsenteret her. Evnen til at segmentere de specifikke træk ved billederne gør det til et attraktivt værktøj til at studere modeller af polycystisk nyresygdom (PKD)3. M-mode billeder giver mulighed for simpel kvantificering af mange vigtige hjerteparametre, der muliggør in vivo-vurdering af hjertefysiologi. Da nyrerne modtager 20%-25% af hjerteproduktionen10, er det vigtigt at forstå hjertefunktionen under den langsgående vurdering af nyrepatologi. Gennem disse amerikanske protokoller har vi forsøgt at illustrere, at amerikansk billeddannelse ikke kun er praktisk til in vivo– og langsgående nyrestudier, men også at amerikanske værktøjer i stigende grad muliggør både morfologisk såvel som fysiologisk vurdering af mus i prækliniske undersøgelser.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af 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 |