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여기에서는 고화질 캡슐 내시경을 사용하여 방광을 검사하는 프로토콜을 제시하며, 외과적으로 이식하고 조작하여 방광 벽과 배뇨 역학의 이미지를 캡처합니다. 이 절차는 정확한 요역동학 연구를 개발하기 위한 통찰력을 제공합니다.
이 연구는 개 모델을 사용하여 방광 검사를 위한 캡슐 내시경 검사의 타당성과 잠재적 응용을 조사했습니다. 3마리의 성인 수컷 비글견은 캡슐 방광경을 외과적으로 이식하고 3개의 그룹으로 나뉘어 각 그룹에는 한 명의 비글이 있습니다: 그룹 A(비글 A)는 8시간 동안 고정된 누운 자세를 유지했고, 그룹 B(비글 B)는 8시간 동안 자유롭게 움직였으며, 그룹 C(비글 C)는 각각 20분 동안 수동으로 자세(엎드린 자세, 누운 자세, 쪼그리고 앉기)를 조정했습니다. 이식된 캡슐 내시경은 모든 개에서 성공적으로 기능했습니다. 그룹 A는 주로 방광 기저부의 이미지를 캡처했습니다(6시간 27분). 그룹 B는 자연 배뇨 중 방광경부, 전립선구 및 외부 요도 괄약근의 동적 시각화를 포함하여 방광경부와 기저부의 이미지를 획득했습니다(7시간 12분). 그룹 C에서는 방광 목부, 기저부 및 정점의 이미지를 얻었습니다(56분). 이 연구의 결과는 캡슐 내시경 검사가 개의 방광 벽에 대한 역동적인 고품질 이미지를 제공하고 정확하고 요역동성 있는 평가를 개발할 수 있는 잠재력을 시사하는 능력을 보여줍니다.
비뇨기과 수술에서 흔히 사용되는 진단 도구인 경요도 방광경검사는 방광암을 진단하는 신뢰할 수 있는 방법일 뿐만 아니라 치료 및 수술 후 추적 관찰을 위한 중요한 수단으로 임상적으로 널리 사용되고 있다1. 그러나 전통적인 방광경 검사는 경직성이든 유연함이든 상관없이 종종 환자에게 불편함을 유발하고 요도 손상 및 역행성 감염과 같은 합병증을 유발할 수 있다2. 또한, 전통적인 요역동학 검사는 요로의 정상적인 생리적 활동과 환자의 정신적, 심리적 활동을 방해함으로써 불가피하게 결과에 특정 오류를 초래합니다 3,4,5. 따라서 소형화되고 편안하며 사각지대가 없고 보다 정확한 진단 방법의 개발은 방광경 검사의 발전을 위한 미래 방향을 나타냅니다.
무선 내시경 검사라고도 하는 캡슐 내시경 검사는 위장 검사에 광범위하게 적용되어 편의성, 통증 없음, 교차 감염 부재, 정상적인 환자 활동에 지장을 주지 않는 등의 이점을 제공합니다. 캡슐 내시경 검사를 통해 포괄적인 위장관 영상 데이터를 고통 없이 획득하는 것이 표준 방법이 되었습니다 6,7,8. 방광은 요도를 통해 외부 환경과 연결된 속이 빈 기관이라는 점을 감안할 때, 적절한 크기의 캡슐을 요도를 통해 방광으로 유입할 수 있습니다.
이를 바탕으로 캡슐 방광경의 개념을 제안하고 동물 실험을 통해 새로운 진단 도구로서의 장점과 잠재적 응용을 모색함으로써 향후 캡슐 내시경 기술 개발에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 이러한 맥락에서 캡슐 방광경이 선명한 방광 내 이미지를 얻고 생리적 배뇨 과정 중 다양한 구조의 동적 변화를 포착하여 보다 정확한 요역동학 검사 개발을 위한 통찰력을 제공할 수 있다는 가설을 세웠습니다. 이는 잠재적으로 향후 환자의 불편함을 최소화하고 방광경 검사에 대한 적응증을 확장할 수 있습니다.
이 연구는 장쑤 대학교 산하 쿤산 병원 의료 윤리 위원회의 승인을 받았으며 실험 동물의 윤리 및 복지를 위한 지침을 엄격히 준수합니다. 윤리 승인 문서 번호는 2021-06-008-K01입니다.
1. 과목
2. 실험 재료
3. 실험적인 디자인
이 연구에서 각 비글(n = 3)은 방광에 외과적으로 이식된 캡슐 내시경 1개를 받았고 모든 동물은 정상적인 수술 후 회복을 보여주었습니다. 캡슐 내시경은 제대로 기능했으며 영상 검사에서 확인된 바와 같이 개 내에서 안전하게 유지되었습니다(그림 2). 원격 제어 하에 이 장치는 돔, 후벽, 전벽, 목, 오른쪽 및 왼쪽 벽을 포함한 다양한 단계에서 방광의 모든 해부학적 영역의 선명한 이미지를 캡처했습니다. Beagle A에서 내시경은 6시간 27분 동안 주로 방광 기저부의 이미지를 획득했습니다(그림 2A). Beagle B에서 내시경은 7시간 12분 동안 휴식 상태의 방광 경부(그림 2D), 배뇨 후(그림 2H) 및 방광 기저부(그림 2I)의 이미지를 획득했습니다. 이 그룹은 개의 정상적인 생리적 배뇨 과정에서 방광, 목-전립선 포사-외부 요도 괄약근의 동적 변화를 성공적으로 포착했습니다. 주요 관찰 결과는 다음과 같습니다: 1. 배뇨가 시작될 때 방광 목이 열립니다(그림 2E). 2. 그 후, 전립선구(prostatic fossa)가 확장된 후 외부 요도 괄약근(outer urethral s괄약근)을 열어 소변이 흐르도록 합니다(그림 2F). 3. 배뇨 후 외부 요도 괄약근이 먼저 닫히고, 그 다음에는 전립선공이 닫히고, 마지막으로 방광 경부(그림 2G)가 닫히며 배뇨가 끝났음을 나타냅니다(수집된 생리학적 배뇨 과정에 대한 비디오는 보충 비디오 1에서 볼 수 있음). 비글 C는 각각 20분 동안 엎드린 자세, 엎드린 자세, 쪼그리고 앉은 자세로 배치되었으며, 방광 목(그림 2J), 기저부(그림 2K) 및 돔(그림 2L)의 이미지를 포함하여 총 56분 동안 이미지를 획득했습니다.
그림 1: 내시경을 방광에 삽입하는 과정. (A) 캡슐 내시경의 절개 및 삽입. (B) 캡슐의 활성화. (C) 방광의 봉합 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 캡슐 내시경 검사와 캡슐 내시경의 방사선학적 국소화로 얻은 이미지. (A) 그룹 A의 방광 기저부 이미지(지갑줄 봉합사 출혈). (B) 방광 내부에 위치한 캡슐을 보여주는 그룹 A의 비글의 복부 방사선 사진. (C) 방광 내부에 캡슐이 있는 그룹 A의 비글의 CT 이미지. (D) 그룹 B(휴지 상태)의 방광 목 이미지. (E) 그룹 B에 속하는 비글의 방광 경부가 확장되어 배뇨를 시작하는 이미지. (F) B군의 비글이 방광경부와 전립선구 확장, 외부 요도 괄약근 개방, 소변 배출, 캡슐 내시경이 소변의 흐름에 따라 방광경부 쪽으로 이동하는 모습을 보여주는 이미지. (G) 방광 목이 닫혀 소변이 완료되었음을 표시하는 그룹 B의 비글의 이미지. (H) 그룹 B의 배뇨 후 방광 경부 이미지. (I) 그룹 B의 방광 기저부 이미지. (J) 그룹 C의 방광 목 이미지 (K) 그룹 C의 방광 중간 기저부 이미지 (L) 그룹 C의 방광 정점 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 비디오 1: 내시경을 사용하여 획득한 생리적 배뇨 과정의 비디오. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
최근 몇 년 동안 내시경 기술의 발전으로 강성 및 연성 방광경이 임상 실습에 널리 적용되었습니다. 경직성 방광경 검사의 기존 적용은 종종 번거롭고 수많은 사각 지대와 심각한 외상이 있습니다. 환자는 시술 중 높은 심리적 스트레스를 경험하고 불편함이나 통증을 겪을 수 있을 뿐만 아니라 심박수 증가, 혈압 상승, 심리적 스트레스 반응과 같은 생리적 반응이 나타날 수 있다7. 반면에 유연한 방광경은 작동 유연성이 더 뛰어나고 강성 방광경에 비해 환자의 불편함을 완화하며 사각지대를 거의 제거합니다. 그러나 교차 감염의 위험과 손상에 대한 민감성을 포함한 단점이 여전히 있습니다9. 더욱이, 전통적인 방광경 검사는 방광 점막 상태를 장기간 동적으로 관찰할 수 있는 능력이 부족하여 의사의 개별 경험에 크게 의존하여 오진으로 이어질 수 있습니다. 또한, 제한된 탐색 시간과 제한된 탐색 각도로 인해 기존 방광경 검사의 진단 효율성은 더욱 개선되어야 합니다10,11. 따라서 편리하고 지속 가능한 검사 방법에 대한 임상적 요구가 시급합니다.
캡슐의 이식 및 회수는 이 연구에서 중요한 문제를 제시합니다. 현재 임상에서 널리 사용되고 있는 캡슐 내시경은 직경이 1cm를 넘습니다. 이번 실험에서 사용된 캡슐 내시경의 직경은 1.1cm로 비글의 요도에서 가장 좁은 부분보다 넓습니다. 따라서 캡슐 내시경의 이식을 위해 개복 수술 절차가 채택되었습니다. 인간 요도의 평균 직경은 확장이 없는 남성의 경우 5-7mm, 여성의 경우 6mm이며, 확장이 이루어지면 1cm까지 확장된다12. 요도는 폐쇄 저항을 나타내어 현재 사용 가능한 캡슐 내시경이 방광으로 통과하는 것을 방지합니다. 결과적으로, 요도를 통해 캡슐 내시경을 도입하고 추출하려면 더 작은 캡슐 크기가 필요합니다. 후요도 결석은 정수압에 의해 방광에서 배출될 수 있으며, 작은 결석은 요도13을 통해 통과할 수 있습니다. 우리는 충분히 작은 캡슐이 수액이나 카테터를 통해 방광으로 유입되고 소변으로 배출될 수 있다고 추론합니다. 그러나 현재 기술로는 이러한 최소 크기를 달성하는 것이 어려워 보입니다. 캡슐 내시경에 필요한 작은 크기를 감안할 때 긴 배터리 수명은 필요하지 않습니다. 이는 C군 연구 결과에 의해 뒷받침되는데, 대부분의 방광 영상은 비글의 몸 위치를 변화시킴으로써 빠르게 획득되었습니다. 따라서 배터리 크기를 줄이는 것은 향후 캡슐 방광경의 전체 크기를 줄이는 실행 가능한 접근 방식이 될 수 있습니다. 무선 충전 기술도 다양한 부문에서 빠르게 발전하고 있습니다14. 또한, 캡슐 크기와 배터리 수명의 문제를 미래에 동시에 해결할 수 있다면 캡슐 내시경을 방광에 장기간 방치할 수 있을 것입니다. 이 기능을 통해 방광 악성 종양의 재발 및 진행을 장기적으로 모니터링할 수 있으며, 잠재적으로 환자는 방광암 수술 후 반복적인 방광경 검사의 불편함을 피할 수 있습니다.
이 실험에서 A, B, C로 지정된 세 그룹은 총 24시간의 비디오 데이터를 얻었습니다. 그룹 A의 영상은 방광 기저부의 모습으로 제한되었습니다. 그룹 B의 영상에는 방광의 기저부와 목의 모습이 모두 포함되었고, 그룹 C의 영상에는 방광의 목, 기저부, 돔의 모습이 포함되었습니다. 이러한 분석은 다음과 같은 이유로 수행되었다. 표준 캡슐 내시경에서 카메라 끝(프론트 엔드)은 테일 엔드보다 무거우며, 여기에는 카메라가 액체일 때 지면과 수직으로 정렬된 상태를 유지하기 위해 공기가 포함되어 있습니다. 이는 방광의 기저부와 일관되게 정렬된 그룹 A의 영상에 의해 입증되었습니다. 그룹 B의 실험에 따르면 쪼그리고 앉은 자세에서는 카메라가 방광의 목과 정렬되어 있고 누워있는 위치에서는 방광의 돔 이미지를 캡처하지 않고 방광 바닥과 정렬되어 있는 것으로 나타났습니다. 그룹 C의 실험에서는 개를 누운 자세로 수동으로 배치하여 방광의 돔 이미지를 성공적으로 캡처했습니다.
세 실험 그룹의 비교는 개가 자연 상태에 있을 때 표준 캡슐 내시경은 관찰 범위에 사각 지대가 있어 완전한 이미지를 캡처하기 어렵다는 것을 분명히 나타냅니다. 개의 위치를 수동으로 변경하면 방광의 내벽 대부분을 캡처할 수 있습니다. 캡슐 내시경이 독립적으로 움직일 수 없다는 한계를 해결하기 위해 현재 솔루션에는 자기 제어 시스템과 모터 구동 프로펠러 시스템이 포함됩니다. 마그네틱 캡슐은 Given Imaging에서 처음 설계 및 개발했으며 현재 임상 환경에서 널리 사용되고 있으며, 기존의 캡슐 내시경이 위의 완전한 이미지를 캡처할 수 없다는 것을 극복했습니다15. 프로펠러 구동 캡슐은 2009년 CRIM 연구소에서 처음 개발했습니다. 무선 컨트롤러, 배터리 및 4개의 엔진을 포함하는 지원 쉘의 세 부분으로 구성됩니다. 무선으로 제어되는 캡슐은 액체로 채워진 위에서 최대 7cm/s의 속도로 움직일 수 있습니다. 모션 보조 시스템이 장착된 내시경 캡슐은 이제 액체로 채워진 위에서 움직이며 이미지 데이터의 75% 이상을 캡처하는 것으로 입증되었습니다16. 방광은 연동 운동이 없고 위장에 비해 내부 환경이 더 안정적이기 때문에 이 동작 보조 시스템은 향후 방광 캡슐에 적용하여 방광의 보다 포괄적인 영상 데이터를 얻을 수 있습니다.
방광 이상을 관찰하는 것 외에도, 방광경 검사는 이물질 겸자를 사용하여 병리학적 물질을 추출할 수 있게 하는 것이 중요합니다. 현재 캡슐 내시경은 관찰 기능만 갖추고 있어 생검이나 치료적 개입을 수행할 수 있는 수단이 부족합니다. 그러나 캡슐 내시경 검사의 미래 개발은 점진적으로 운영 및 치료 기능으로 이동하고 있습니다. 2017년, Son et al.17. 캡슐 내시경을 위한 새로운 자기 작동 시스템을 도입했으며, 캡슐 내부의 얇고 속이 빈 바늘을 사용하여 샘플링을 위해 조직에 구멍을 뚫고 흡인합니다.
이 연구에서 Beagle B는 배뇨 중 방광 경부, 전립선 요도 및 외부 요도 괄약근의 동적 변화를 포착한 성공적인 캡슐 내시경 검사를 받았습니다. 배뇨가 시작되면 방광 경부가 열리고, 이어서 전립선 요도가 확장되고, 마지막으로 외부 요도 괄약근이 열렸습니다. 배뇨가 끝난 후, 외요도 괄약근이 먼저 닫히고, 그 다음에 전립선 요도가 닫히고, 마지막으로 방광 목이 닫혔습니다. 이것은 송곳니의 방광 경부-전립선 요도-외부 요도 괄약근 복합체의 동적 변화에 대한 첫 번째 관찰을 나타냅니다. 우리는 이것이 새로운 접근법을 도입함으로써 미래의 요역동학 연구에 중요성을 갖는다고 믿습니다. 향후 개발은 압력 센서를 캡슐 내시경에 통합할 수 있습니다. 요도를 통해 배출되는 동안 방광과 요로의 다양한 부분에서 동적 영상 및 압력 데이터를 얻을 수 있습니다. 이것은 요로에 대한 간섭을 줄이고 환자의 심리적 스트레스를 완화합니다.
이 연구는 캡슐 내시경을 사용하여 송곳니의 이미지를 캡처하는 것의 타당성을 입증하여 정확한 요역동학 평가에 적용하기 위한 토대를 마련했습니다. 이는 캡슐 방광경을 통해 임상 환경에서 장기적으로 동적 모니터링의 잠재력을 강조합니다. 그러나 표본 크기가 작고 개 모델에 대한 의존도가 낮다는 한계가 있으며, 이는 비뇨기계의 생리학적 차이로 인해 인간에 대한 직접적인 적용이 제한될 수 있습니다. 현재 방광 검사에서 캡슐 내시경 검사가 직면하고 있는 기술적 과제에는 캡슐 소형화, 배터리 수명 향상, 제어 메커니즘 개선 등이 포함됩니다. 또한 방광에 캡슐이 장기간 유지되면 배변 역학에 영향을 미칠 수 있으며 광범위한 다중 각도 관찰을 통해 방대한 데이터를 생성할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 기술과 인공 지능의 지속적인 발전은 이러한 장애물을 극복하여 방광 평가를 위한 캡슐 내시경 검사의 정밀도와 실현 가능성을 향상시킬 것으로 예상됩니다. 궁극적으로 이 연구는 검사 중 정상적인 요로 기능의 중단을 줄일 뿐만 아니라 진단 기술의 발전을 촉진합니다. 이는 방광 질환의 조기 발견 및 치료 전략에 혁명을 일으켜 의료 혁신과 환자 치료를 위한 새로운 길을 제공할 수 있습니다.
저자는 공개할 내용이 없습니다.
자금 지원: 이 작업은 쿤산 과학기술개발 특별 프로젝트(KS18062), 장쑤대학교 임상과학기술개발프로젝트(JLY20180110), 쿤산 제1인민병원 과학교육 및 건강증진 프로젝트(CXTD21-D02)의 지원을 받았습니다.
작성자 기여:
양위안(Yang Yuan)은 이 연구를 구상하고 실험을 수행하며 원고의 초안을 작성했습니다. Leyi Liu는 데이터를 분석했습니다. Dingli Hu와 Shihao Zhang은 중요한 리소스를 제공하고 데이터 해석을 지원했습니다. Bing Wang은 문헌 검토와 원고 편집에 기여했습니다. Yunlong Li는 교신저자로서 프로젝트 방향과 원고 마무리를 감독했습니다. 모든 저자가 결과에 대해 논의하고 출판을 위해 원고의 최종 버전을 승인했습니다.
데이터 가용성:
이 연구에서 생성되거나 분석된 모든 데이터가 이 문서에 포함되어 있습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-0 Silk suture | Ethicon Inc. (Beijing) | 20193021851 | |
20 G intravenous catheter | Shanghai Zhangdong Medical Technology Co., Ltd. | 383012 | |
4-0 absorbable suture | Ethicon Inc. (Beijing) | 20193021851 | |
8 mm endotracheal tube | Henan Yadu Industrial Co., Ltd. | Not applicable | |
Ampicillin | Chengdu Better Pharmaceutical Co., Ltd. | H19993625 | |
Animal anesthesia machine | Nanjing Suprex Medical Equipment Co., Ltd. | Not applicable | |
Animal ECG monitor | Smiths Medical (US) | Not applicable | |
Animal laryngoscope | Shanghai Maiben Medical Technology Co., Ltd. | Not applicable | |
Beagle | School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University | Not applicable | |
Gauze Sponges | Gauze Sponges | 13-761-52 | |
Isoflurane | Abbott Laboratories (Shanghai) | H20059911 | |
OMOM intelligent capsule endoscope | Chongqing Jinshan Science & Technology (Group) Co., Ltd. | NCG100 | |
Povidone-iodine solution | Chengdu Yongan Pharmaceutical Co., Ltd. | H51022885 | |
Propofol injection | Xi'an Libang Pharmaceutical Co., Ltd. | H19990281 | |
Scalpel blade | Shanghai Pudong Golden Ring Medical Supplies Co., Ltd. | 35Y1004 | |
Sterile normal saline | Shijiazhuang No.4 Pharmaceutical Factory | H20066533 | |
Surgical instruments | Johnson & Johnson Medical (Shanghai) | Not applicable | |
Dexmedetomidine hydrochloride | Jiangsu Hengrui Medicine Co., Ltd. | H20190407 |
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