마우스 신장의 생체 내 분석을 위한 3D 로봇 초음파 사용
Summary
이 프로토콜은 기존의 비침습적 이미지 양식에 대한 실용적이고 비용 효율적이며 빠른 대안으로 로봇 초음파 (미국)를 보여줍니다.
Abstract
설치류의 생체 내 이미징에 대한 일반적인 양식에는 양전자 방출 단층 촬영 (PET), 컴퓨터 단층 촬영 (CT), 자기 공명 영상 (MRI), 및 초음파 (미국)가 포함됩니다. 각 방법에는 가용성, 사용 용이성, 비용, 크기 및 이온화 방사선 또는 자기장의 사용을 포함한 제한 및 이점이 있습니다. 이 프로토콜은 설치류 신장과 심장의 생체 내 이미징, 후속 데이터 분석 및 가능한 연구 응용 프로그램에 대한 3D 로봇 미국의 사용을 설명합니다. 로봇 미국의 실용적인 응용 프로그램은 낭종, 종양 및 혈관의 측정뿐만 아니라 총 신장 부피 (TKV)의 정량화입니다. 해상도가 다른 양식만큼 높지는 않지만 로봇 US는 보다 실용적인 높은 처리량 데이터 수집을 허용합니다. 더욱이, 미국 M 모드 이미징을 사용하여, 심장 기능은 정량화될 수 있다. 신장은 심장 출력의 20%-25%를 수신하기 때문에, 심장 기능을 평가하는 것은 신장 생리학 및 병리생리학의 이해에 중요합니다.
Introduction
생체 내 설치류 이미징의 가장 일반적인 양식은 양전자 방출 단층 촬영 (PET), 광학 이미징 (OI), 컴퓨터 단층 촬영 (CT), 자기 공명 영상 (MRI), 및 초음파 (미국)를 포함한다. 이러한 기술은 생체 내 이미지에서 고해상도를 제공하므로 조사관은 비침습적으로 질병 모델을 정량적으로 평가하고 세로로 따를 수 있습니다. 각 이미징 양식에는 한계가 있지만 전임상 연구를 위한 귀중한 도구도 제공합니다.
여기서, 연구 결과는 미국 시스템을 상세히 하고 로봇 및 3D 설치류 화상 진찰을 위한 프로토콜을 제시합니다. 미국 파도는 일반적으로 휴대용 트랜스듀서라는 프로브에 의해 생성됩니다. 음파가 조직과 상호 작용할 때 다시 반사되고 에코가 이미지2로 재구성됩니다. 여기에 설명된 프로토콜은 로봇으로 제어된 트랜스듀서를 사용하고 정량적 평가를 위해 신속한 3D 재구성을 허용하는 소프트웨어를 사용하여 신장 및 심장 이미징에 초점을 맞출 것입니다.
로봇 미국은 조사관이 높은 처리량 과 세로 연구를 수행 할 수 있도록 빠르고 신뢰할 수 있으며 비 침습적 인 이미징 양식입니다. 휴대용 미국 방법에 비해, 로봇 미국 방법은 시간 효율적입니다, 최대 세 마리의 동물을 몇 분 만에 스캔 할 수 있기 때문에. 신장 측정을 위한 높은 처리량은 시간당 최대 20마우스가 심상일 수 있다는 것을 건의합니다. 로봇 트랜스듀서는 음향 막 아래에 위치하며 2도의 자유도를 가진 동물과 독립적으로 이동합니다(그림 1A). 이를 통해 초보 사용자는 고품질 이미지를 얻을 수 있지만 핸드헬드 미국 메서드는 사용자 오류에 더 취약합니다. 결합 된 소프트웨어는 효율적이고 실시간 3D 신장 재건을 허용합니다. 이전에는 자기 공명 영상(MRI)이 우수한 연조직 대비, 방사능 부족 및 침투 깊이로 인해 비침습적 이미징을 위한 유행 방법이 되었습니다. 그러나 MRI는 종종 긴 획득 시간이 필요하며 수행하기 위해 비용이 많이 듭니다. 미국은 총 신장 부피(TKV)3을 평가하는 MRI에 대한 신뢰할 수 있고 신속한 대안으로 평가되고 있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
초음파는 음파를 이용하며 음파 전파에 대한 장벽은 이미지 품질을 방해합니다. 따라서, 이미지화될 영역의 완전한 제모가 중요하다. 또한 동물의 피부에 화상/자극을 일으키고 스캐너의 투명한 멤브레인을 변색시킬 수 있으므로 탈모 크림을 완전히 제거하는 것이 중요합니다. 베이의 적절한 수위는 최적의 음파 전파를 위해 필요하며, 따라서 가장 높은 이미지 해상도를 얻는 데 필요합니다. 그러나 동물이 발생하기 쉬운 위치에 있을 때 동물의 주물이 수위 이상인지 동물이 물 흡입의 위험이 있는지 확인하십시오. 이미징 파라미터의 최적화, 특히 초점 깊이는 고품질 이미지를 얻는 데 매우 중요합니다. 개별 동물에 대한 매개 변수수정이 필요할 수 있습니다.
로봇 미국은 전통적인 핸드 헬드 미국 양식에 비해 많은 장점을 제공합니다. 먼저 시스템은 간단한 포인트 앤 클릭 카메라 기반 인터페이스를 사용합니다. 이 기능은 기존 US의 복잡성을 해결하고 초보 사용자가 작동하더라도 일관된 데이터를 생성합니다6. 둘째, 이 시스템은 전통적인 미국 젤이 아닌 물을 음향 매체로 사용할 수 있게 한다. 이전에는 미국 젤을 사용하여 고품질 이미지 수집을 방해하는 거품형성을 허용했습니다. 또한, 미국 젤은 지저분하고 청소에 대한 도전을 제공합니다. 또한, 물은 열램프에 의해 따뜻해지고 동물의 체온을 유지하는 데 도움이됩니다. 셋째, 로봇 미국은 빠므로 호흡기 운동에서 얻은 아티팩트는 문제가 되지 않습니다. 이미징 속도가 증가하면 높은 처리량 데이터 수집을 실제 완료할 수 있습니다. 넷째, 로봇 미국은 3D 이미지를 획득하여 물체의 3D 재구성을 간단하게 만듭니다(그림 4). MRI 및 기타 양식은 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되며 항상 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 중요한 것은, 로봇 미국 시스템은 테이블이나 벤치에 적합하고 더 비용 효율적입니다. 마지막으로, 사전 작업은 로봇 미국이 MRI3와 같은 더 비싼 양식에 비교 가능한 측정 데이터를 제공할 수 있음을 입증했습니다.
이 작업에 설명된 로봇 미국 시스템의 이미지 품질과 해상도는 제안된 응용 프로그램(그림 7)에 적합했지만, 향후 이미지 품질을 개선할 수 있는 몇 가지 방법이 있습니다. 예를 들어, 고주파 트랜스듀서(예: 50-70 MHz)를 사용하면 더 나은 기능 정의가 있는 고해상도 이미지가 생성됩니다. 더 높은 주파수를 활용하면 침투 깊이가 좋지 만 마우스 신장과 같은 피상 기관의 생체 이미징 에 충분해야합니다. 다른 이미징 양식과 마찬가지로, 콘트라스트 에이전트는 특정 기능을 향상시키기 위해 사용될 수 있습니다. 미국의 경우 일반적으로 음파를 반사하는 것을 사용하는 것을 의미합니다. 지질이 매우 작은 가스 거품을 둘러싸고있는 내트라바스 내 마이크로 버블은 그러한 에이전트 중 하나입니다. 미크론 크기의 가스 기포는 반사성이 높으며 따라서 혈관7의 고해상도로 변환되는 두 번째 뚜렷한 신호를 제공합니다. 이 음향 대비 기술은 매우 유용 할 수 있지만, 그것은 몇 가지 단점이있을 수 있습니다. 첫째, 마이크로 버블은 신선하게 만들어져야하며 5-10 분 동안 만 생체 내에서 유지해야합니다. 둘째, 생체 내 혈관 주사는 일반적으로 주사를 위한 꼬리 베일 카테터삽입을 필요로 하고, 이것은 기술적으로 도전적일 수 있습니다. 특정 상황에서 는 맥동 정권, 마이크로 버블 이미징 자체는 신장 혈관 손상으로 이어질 수 있습니다8.
또한 사용되는 특정 미국 시스템의 몇 가지 일반적인 제한이 있습니다. 첫째, 로봇 섀시에 하나의 선형 어레이(18MHz 중심)만 포함되어 있으므로 현재 더 높거나 낮은 주파수 프로브로 전환할 수 없습니다. 이는 시스템으로 평가할 수 있는 모델(더 크거나 작음)에 영향을 미칠 수 있습니다. 계측기의 향후 반복에는 전임상 동물 모델의 전체 범위를 커버하기 위해 여러 선형 어레이가 포함되어야 합니다. 둘째, 동물 피사체에 대한 트랜스듀서 각도는 제어할 수 없습니다. 따라서 도플러와 같은 각도 의존적 이미징 기술을 수행하거나 특정 장기의 대체 평면 뷰(예: 신장의 긴 축 보기)를 달성하려면 동물의 재배치가 필요하며 달성하기 어려울 수 있습니다. 이 과제를 개선하기 위해 로봇 운동에 자유도를 추가할 수 있습니다. 셋째, 때때로, 우리는 피상적 인 특징과 경계의 시각화를 모호하게 할 수있는 트랜스듀서에서 동물을 분리 하는 음향 막에서 발생 하는 반향 유물을 관찰 했다. 이러한 경우, 젤 스탠드오프를 사용하여 동물을 막에서 멀리 끌어올리면 상황을 해결할 수 있다. 마지막으로, 열램프를 통한 온도 조절은 부정확하므로 이미징하는 동안 동물의 핵심 체온에 주의를 기울여야 합니다. 통합 된 가열 패드와 같은 더 많은 제어 된 가열 메커니즘은 항상성 관리 및 이미징 처리량을 향상시킬 가능성이 있습니다.
로봇 미국의 사용은 연구의 다양한 분야에 적용 할 수있다. 이 기술은 총 조직 구조의 시각화를 가능하게 합니다, 따라서 여기에서 제시된 것과 같이 종양 진행 및 잠재적인 치료 6,9를 추적하는 데 사용될 수 있습니다. 이미지의 특정 특징을 세분화하는 기능은 다낭성 신장 질환 (PKD)3의 모델을 연구하기위한 매력적인 도구입니다. M 모드 이미지는 심장 생리학의 생체 내 평가를 가능하게 하는 많은 중요한 심장 매개 변수의 간단한 정량화를 허용합니다. 신장이 심장 출력10의 20%-25%를 수신하기 때문에 신장 병리학의 세로 평가 도중 심장 기능을 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 미국 프로토콜을 통해, 우리는 미국 화상 진찰이 생체 내 및 세로 신장 연구 결과에 대한 실용적일 뿐만 아니라 점점 더 많은 미국 도구가 전임상 연구에서 마우스의 형태학적 평가뿐만 아니라 생리적 평가를 가능하게 한다는 것을 보여주기 위해 노력했습니다.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 NIH (R43-DK126607, TJC, TLK, MFR)와 마요 재단에 의해 지원되었다.
Materials
| 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 |
References
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