Применение дистанционно управляемой капсульной эндоскопии высокой четкости при обследовании мочевого пузыря у собак

В данной статье мы представляем протокол обследования собачьего мочевого пузыря с помощью капсульного эндоскопа высокой четкости, хирургически имплантированного и обработанного для получения изображений стенки мочевого пузыря и динамики мочеиспускания. Эта процедура позволяет получить представление о проведении точных уродинамических исследований.

В этом исследовании изучалась возможность и потенциальные возможности применения капсульной эндоскопии для обследования мочевого пузыря с использованием модели собак. Трем взрослым кобелям бигля была проведена хирургическая имплантация капсульных цистоскопов и они были разделены на три группы, в каждой группе был один бигль: группа А (бигль А) оставалась в фиксированном положении лежа на спине в течение 8 ч, группа В (бигль В) свободно двигалась в течение 8 ч, а группа С (бигль С) имела вручную регулируемые положения (лежа, лежа на спине, на корточках) в течение 20 мин каждая. Имплантированные капсульные эндоскопы успешно функционировали у всех собак. Группа А в основном делала снимки основания мочевого пузыря (6 ч 27 мин). Группа В получила изображения шейки и основания мочевого пузыря (7 ч 12 мин), включая динамическую визуализацию шейки мочевого пузыря, простатической ямки и наружного сфинктера уретры во время естественного мочеиспускания. В группе C были получены изображения шейки мочевого пузыря, основания и его вершины (56 мин). Результаты этого исследования демонстрируют способность капсульной эндоскопии обеспечивать динамичные, высококачественные изображения стенки собачьего мочевого пузыря и предполагают ее потенциал для разработки точных и уродинамических оценок.

Трансуретральная цистоскопия, распространенный диагностический инструмент в урологической хирургии, широко используется в клинической практике не только как надежный метод диагностики рака мочевого пузыря, но и как важное средство лечения и послеоперационного наблюдения¹. Тем не менее, традиционное цистоскопическое обследование, будь то жесткое или гибкое, часто вызывает дискомфорт у пациентов и может привести к осложнениям, таким как повреждение уретры и ретроградная инфекция². Кроме того, традиционные уродинамические пробы, нарушая нормальную физиологическую активность мочевыводящих путей и умственную и психологическую деятельность пациентов, неизбежно вносят определенные погрешности в результаты ^3,4,5. Таким образом, разработка миниатюрного, удобного, не имеющего слепых зон и более точного метода диагностики представляет собой будущее направление развития цистоскопии.

Капсульная эндоскопия, также известная как беспроводная эндоскопия, широко применяется при обследовании желудочно-кишечного тракта, предлагая такие преимущества, как удобство, безболезненность, отсутствие перекрестных инфекций и нарушение нормальной деятельности пациента. Безболезненное получение исчерпывающих данных визуализации желудочно-кишечного тракта с помощью капсульной эндоскопии стало стандартным методом ^6,7,8. Учитывая, что мочевой пузырь является полым органом, связанным с внешней средой через мочеиспускательный канал, капсула соответствующего размера может быть введена в мочевой пузырь через мочеиспускательный канал.

Исходя из этого, мы предлагаем концепцию капсульного цистоскопа и исследуем его преимущества и потенциальные применения в качестве нового диагностического инструмента с помощью экспериментов на животных, тем самым обеспечивая новые идеи для будущего развития технологии капсульной эндоскопии. В этом контексте мы предполагаем, что капсульный цистоскоп может получать четкие внутрипузырные изображения и фиксировать динамические изменения различных структур во время физиологического процесса мочеиспускания, что дает представление о разработке более точных уродинамических тестов. Это потенциально может свести к минимуму дискомфорт пациента в будущем и расширить показания к цистоскопическим исследованиям.

Это исследование было одобрено Комитетом по медицинской этике Дочерней больницы Куньшань Университета Цзянсу, строго придерживаясь Руководящих принципов по этике и благополучию подопытных животных. Номер документа об этическом одобрении: 2021-06-008-K01.

1. Предметы

1. Для исследования используйте трех здоровых взрослых самцов биглей. Случайным образом разделите их на группы А, В и С, по одной собаке в группе.
2. Критерии включения: Включайте животных в возрасте 24 месяцев, весом около 12 кг, не страдающих сердечно-сосудистыми, почечными и другими хроническими заболеваниями.
3. Критерии исключения: Исключить животных, которые прошли какое-либо медикаментозное лечение, полученное в течение недели до эксперимента.

2. Экспериментальные материалы

1. Проводите исследования мочевого пузыря с помощью капсульной эндоскопической системы, включающей интеллектуальную капсулу высокой четкости, регистратор изображений и рабочую станцию. Капсульный эндоскоп имеет размеры примерно 11 мм × 25 мм, захватывает изображения со скоростью 2 кадра в секунду (FPS), работает в течение 8-10 часов и может передавать около 60 000 кадров.

3. Экспериментальный дизайн

1. Предоперационная подготовка
   1. Постите собаку породы бигль в течение 8 часов и воздержитесь от воды в течение 2 часов перед операцией.
   2. Ампициллин (22 мг/кг) вводят подкожно за 30 мин до операции в качестве профилактического антибиотика.
   3. Удалите волосы с медиального аспекта левой передней конечности и нижней части живота с помощью машинок для стрижки. Очистите место операции стерильным физиологическим раствором и высушите стерильной марлей. Продезинфицируйте место операции с помощью повидон-йода.
   4. Установите внутривенный катетер 20 G в головную вену левой передней конечности. Закрепите собаку породы бигль на операционном столе.
2. Анестезия
   1. Следите за жизненными показателями. Введите дексмедетомидина гидрохлорид (0,005 мл/кг) внутривенно для седации, а затем пропофол (1,0 мл/кг) для индукции анестезии.
   2. Введите эндотрахеальную трубку диаметром 8 мм в трахею с помощью ларингоскопа. Подтвердите правильность установки с помощью аускультации и закрепите трубку лентой.
   3. Подключите собаку породы бигль к ветеринарному наркозному аппарату и поддерживайте анестезию от 1,5% до 3% изофлурана в кислороде с помощью ингаляции.
3. Имплантация капсульного эндоскопа
   1. Поместите собаку породы бигль в лежачее положение и расположите рядом регистратор изображений.
   2. Продезинфицируйте низ живота трижды повидон-йодом и наложите стерильные хирургические простыни.
   3. Сделайте продольный разрез на 10 см рядом с пенисом с помощью ручки скальпеля #3 и лезвия #10. Надрежьте кожу и подкожные ткани и тупо рассеките мышцы живота. Приподнимайте и втягивайте брюшину с помощью двух гемостатиков.
   4. Найдите мочевой пузырь и аккуратно захватите его атравматичными щипцами. Поднимите и закрепите мочевой пузырь, чтобы предотвратить его повреждение.
   5. Сделайте надрез на мочевом пузыре длиной 1 см.
   6. Извлеките капсульный эндоскоп. Подключите устройство записи изображений к рабочей станции с помощью специального кабеля универсальной последовательной шины (USB), затем нажмите и удерживайте кнопку питания на устройстве записи изображений в течение 3 секунд, чтобы включить его.
   7. Дважды щелкните значок OMOM Ove на рабочем столе рабочей станции. Введите имя пользователя и пароль для входа в программное обеспечение рабочей станции. Нажмите «Добавить пациента » и введите информацию о «Бигле», затем нажмите «Сохранить».
   8. В разделе «Информация о пациенте » программного обеспечения рабочей станции введите серийный номер эндоскопа капсулы и номер канала для активации капсулы. Нажмите «Далее», затем нажмите «Создать новое обращение». Когда появится запрос на форматирование устройства, выберите Да.
   9. Убедитесь, что капсульный эндоскоп функционирует исправно. Нажмите «Просмотр в реальном времени », чтобы отобразить изображения капсульного эндоскопа.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В нормальном режиме работы индикатор ACE на регистраторе изображений и светодиод на капсюле должны мигать синхронно.
   10. Продезинфицируйте капсульный эндоскоп повидон-йодом и поместите его в мочевой пузырь.
   11. Закройте разрез мочевого пузыря непрерывным рассасывающимся швом 4-0. Закройте слои брюшной стенки, затем закройте кожу шелковым швом 2-0. Переведите собаку породы бигль в клетку после операции. Во время переноса держите регистратор изображения на расстоянии не более 1 м от собаки породы бигль, чтобы избежать отсоединения от капсульного эндоскопа.
4. Получение изображений
   1. Закрепите регистратор изображения в верхней части клетки и обеспечьте его безопасность.
   2. Нажмите кнопку «Настройки » на рабочей станции, затем выберите «Перезапустить регистратор изображений », чтобы повторно активировать регистратор изображений и подтвердить рабочее состояние капсульного эндоскопа и его подключение.
   3. Поместите бигля А в маленькую клетку для собак на 8 часов, чтобы он оставался неподвижным. Дайте Beagle B свободно двигаться в течение 8 часов.
   4. Пусть бигль C поддерживает положение лежа, лежа на спине и на корточках, используя мягкую физическую поддержку, и соблюдайте каждое положение в течение 20 минут, обеспечивая комфорт животного и сводя к минимуму стресс.
   5. Отслеживайте и записывайте изображения мочевого пузыря с Beagle C с помощью регистратора изображений. Нажмите «Просмотр в реальном времени », чтобы получить доступ к видеопотоку капсулы в реальном времени, затем нажмите кнопку « Начать запись », чтобы начать захват изображения, и кнопку «Остановить запись », чтобы завершить запись. После того как будет получено достаточное количество данных, вручную нажмите кнопку питания на устройстве записи изображений, чтобы выключить его.
   6. Примерно через 8 часов, когда индикатор ACT на самописцах для групп А и В перестанет мигать на 10 минут, завершите обследование и выключите самописцы.
   7. В конце 8-часового экспериментального периода для групп А и В, после получения изображений для группы С, снова обезболить собак, следуя процедурам, описанным в разделе 3.2.
   8. Удалить капсульный эндоскоп из мочевого пузыря хирургическим путем можно с помощью цистотомии. Закройте разрезы мочевого пузыря и брюшной полости, как описано в разделе 3.3.
      Дайте собакам восстановиться в чистых, тихих клетках с мягкой подстилкой. При необходимости назначайте противоинфекционную и инфузионную терапию.
   9. Подключите регистратор изображений к рабочей станции. Включите рекордер изображений и войдите в программное обеспечение рабочей станции. Нажмите «Обзор кейса»; После этого система автоматически загрузит данные изображения. Сохраните данные изображения на жестком диске рабочей станции после завершения загрузки.
   10. Анализируйте полученные данные изображения.

В этом исследовании каждый бигль (n = 3) получил один капсульный эндоскоп, хирургически имплантированный в его мочевой пузырь, и все животные продемонстрировали нормальное послеоперационное восстановление. Капсульные эндоскопы функционировали должным образом и безопасно оставались внутри собак, что было подтверждено визуализирующими исследованиями (Рисунок 2). Под дистанционным управлением устройства получали четкие изображения всех анатомических областей мочевого пузыря на различных стадиях, включая купол, заднюю стенку, переднюю стенку, шею, а также правую и левую боковые стенки. У Beagle A эндоскоп получал изображения в течение 6 ч и 27 мин, в основном основания мочевого пузыря (рис. 2A). У пациента Beagle B эндоскоп получал изображения в течение 7 ч и 12 мин, включая изображения шейки мочевого пузыря в состоянии покоя (рис. 2D), после мочеиспускания (рис. 2H) и основания мочевого пузыря (рис. 2I). Эта группа успешно зафиксировала динамические изменения шейки мочевого пузыря-простатической ямки-наружного сфинктера уретры во время нормального физиологического процесса мочеиспускания собак. Основными наблюдениями были: 1. Раскрытие шейки мочевого пузыря в начале мочеиспускания (рис. 2E). 2. Впоследствии, расширение предстательной ямки с последующим открытием наружного сфинктера уретры для обеспечения оттока мочи (Рисунок 2F). 3. После мочеиспускания сначала закрывался наружный сфинктер уретры, затем предстательная ямка и, наконец, шейка мочевого пузыря (рис. 2G), отмечая окончание мочеиспускания (собранное видео физиологического процесса мочеиспускания доступно в качестве дополнительного видео 1). Бигль C находился в позах лежа, лежа на спине и на корточках в течение 20 минут каждая, в общей сложности 56 минут получения изображений, включая изображения шейки мочевого пузыря (рисунок 2J), основания (рисунок 2K) и купола (рисунок 2L).

Рисунок 1: Процесс введения эндоскопа в мочевой пузырь. (A) Разрез и введение капсульного эндоскопа. (B) Активация капсулы. (C) Наложение швов на мочевой пузырь Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Изображения, полученные с помощью капсульной эндоскопии и рентгенологической локализации капсульного эндоскопа. (А) Изображение основания мочевого пузыря в группе А (кровотечение кисетного шва). (B) Абдоминальная рентгенограмма бигля в группе А, показывающая капсулу, расположенную внутри мочевого пузыря. (C) КТ-изображение бигля в группе А с капсулой внутри мочевого пузыря. (D) Изображение шейки мочевого пузыря в группе В (состояние покоя). (E) Изображение шейки мочевого пузыря бигля в группе В, расширяющейся, инициирующей мочеиспускание. (F) Изображение бигля в группе В, показывающее расширение шейки мочевого пузыря и предстательной ямки, открытие наружного сфинктера уретры, выталкивание мочи и капсульный эндоскоп, движущийся к шейке мочевого пузыря с потоком мочи. (G) Изображение бигля в группе B с закрытой шейкой мочевого пузыря, отмечающей завершение мочеиспускания. (H) Изображение шейки мочевого пузыря после мочеиспускания в группе B. (I) Изображение основания мочевого пузыря в группе B. (J) Изображение шейки мочевого пузыря в группе C. (K) Изображение основания среднего мочевого пузыря в группе C. (L) Изображение верхушки мочевого пузыря в группе C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дополнительное видео 1: Видео процесса физиологического мочеиспускания, полученное с помощью эндоскопа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

В последние годы, с развитием эндоскопических технологий, как жесткие, так и гибкие цистоскопы получили широкое применение в клинической практике. Традиционное применение жесткой цистоскопии часто является громоздким, с многочисленными слепыми зонами и значительной травмой. Пациенты испытывают высокий психологический стресс во время процедуры и могут столкнуться с дискомфортом или болью, а также с физиологическими реакциями, такими как учащенное сердцебиение, повышенное кровяное давление и психологические стрессовые реакции⁷. Гибкая цистоскопия, с другой стороны, обеспечивает большую гибкость в работе, облегчает дискомфорт пациента по сравнению с жесткой цистоскопией и практически устраняет слепые зоны. Тем не менее, у него все еще есть недостатки, в том числе риск перекрестного заражения и восприимчивость к повреждениям⁹. Кроме того, традиционные цистоскопические исследования не имеют возможности длительного динамического наблюдения за состоянием слизистой оболочки мочевого пузыря, в значительной степени полагаясь на индивидуальный опыт врача, что может привести к ошибочному диагнозу. Кроме того, из-за ограниченного времени исследования и ограниченных углов исследования, диагностическая эффективность традиционной цистоскопии нуждается в дальнейшем улучшении^10,11. Поэтому существует острая клиническая потребность в удобном и устойчивом методе обследования.

Имплантация и извлечение капсулы представляют собой значительные проблемы в этом исследовании. Капсульные эндоскопы, широко используемые в настоящее время в клинической практике, имеют диаметр более 1 см. В нашем эксперименте используемый капсульный эндоскоп имеет диаметр 1,1 см, что шире, чем самая узкая часть уретры бигля. Поэтому для имплантации капсульного эндоскопа была принята открытая хирургическая процедура. Средний диаметр мочеиспускательного канала человека составляет 5-7 мм для мужчин и 6 мм для женщин без расширения, расширяясь до 1 см при расширении¹². Уретра проявляет сопротивление закрытию, препятствуя прохождению имеющихся в настоящее время капсульных эндоскопов в мочевой пузырь. Следовательно, введение и извлечение капсульного эндоскопа через мочеиспускательный канал требует меньшего размера капсулы. Отмечается, что камни задней уретры могут выталкиваться из мочевого пузыря под действием гидростатического давления, а мелкие камни могут проходить через уретру¹³. Мы предполагаем, что достаточно маленькие капсулы могут быть введены в мочевой пузырь через жидкость или катетер и выведены с мочой. Тем не менее, достижение таких минимальных размеров с помощью современных технологий кажется сложной задачей. Учитывая небольшие размеры, необходимые для капсульных эндоскопов, длительный срок службы батареи не требуется. Это подтверждается результатами исследования в группе С, где большинство изображений мочевого пузыря были получены быстро путем изменения положения тела бигля. Таким образом, уменьшение размера батареи может быть жизнеспособным подходом к уменьшению общего размера капсульных цистоскопов в будущем. Технология беспроводной зарядки также быстро развивается в различных секторах¹⁴. Кроме того, если в будущем можно будет одновременно решать проблемы, связанные с размером капсулы и сроком службы батареи, можно будет оставлять капсульный эндоскоп в мочевом пузыре на длительное время. Эта возможность позволит осуществлять долгосрочный мониторинг рецидива и прогрессирования злокачественного новообразования мочевого пузыря, потенциально избавляя пациентов от дискомфорта, связанного с повторными цистоскопическими обследованиями после операции по поводу рака мочевого пузыря.

В этом эксперименте три группы, обозначенные А, В и С, получили в общей сложности 24 часа видеоданных. Съемка группы А была ограничена видами основания мочевого пузыря; Кадры группы B включали виды как основания и шейки мочевого пузыря, в то время как кадры группы C включали виды на шейку, основание и купол мочевого пузыря. Данный анализ был проведен по следующим причинам. В стандартных капсульных эндоскопах конец камеры (передняя часть) тяжелее, чем хвостовая часть, которая содержит воздух, чтобы конец камеры оставался вертикально выровненным по отношению к земле при нахождении в жидкости. Об этом свидетельствовали кадры группы А, которые последовательно совпадали с основанием мочевого пузыря. Эксперимент группы B показал, что в положении на корточках камера была выровнена относительно шейки мочевого пузыря, а в положении лежа она была выровнена по основанию мочевого пузыря без захвата изображений купола мочевого пузыря. В эксперименте группы С, путем ручного позиционирования собак в лежачем положении, были успешно получены изображения купола мочевого пузыря.

Сравнение трех экспериментальных групп ясно показывает, что когда собаки находятся в своем естественном состоянии, стандартные капсульные эндоскопы имеют слепые зоны в диапазоне наблюдения, что затрудняет получение полных изображений. Вручную изменяя положение собаки, можно захватить большую часть внутренней стенки мочевого пузыря. Чтобы решить проблему неспособности капсульных эндоскопов двигаться самостоятельно, современные решения включают магнитные системы управления и пропеллерные системы с приводом от двигателя. Магнитная капсула была впервые спроектирована и разработана компанией Given Imaging и в настоящее время широко используется в клинических условиях, преодолевая неспособность традиционного капсульного эндоскопа получать полные изображения^{желудка.} Капсула с винтовым приводом была первоначально разработана лабораторией CRIM в 2009 году. Он состоит из трех частей: беспроводного контроллера, аккумулятора и опорной оболочки, содержащей четыре двигателя. Управляемая по беспроводной сети, капсула может двигаться со скоростью до 7 см/с в наполненном жидкостью желудке. В настоящее время доказано, что эндоскопические капсулы, оснащенные системами помощи при движении, перемещаются в наполненном жидкостью желудке и захватывают более 75% данных изображения^. Поскольку мочевой пузырь лишен перистальтики и имеет более стабильную внутреннюю среду по сравнению с желудком, эта система помощи движению также может быть применена к капсулам мочевого пузыря в будущем для получения более полных данных визуализации мочевого пузыря.

Помимо наблюдения за аномалиями мочевого пузыря, цистоскопия позволяет извлекать патологические материалы с помощью щипцов инородного тела. В настоящее время капсульные эндоскопы обладают только наблюдательными возможностями, не имея средств для проведения биопсии или терапевтических вмешательств. Тем не менее, будущее развитие капсульной эндоскопии постепенно движется в сторону операционных и терапевтических функций. В 2017 году Son et ^al.17. Компания представила новую систему магнитного привода для капсульной эндоскопии, в которой используется тонкая полая игла внутри капсулы для прокола и аспирации ткани для забора образцов.

В этом исследовании Beagle B прошел успешную капсульную эндоскопию, которая зафиксировала динамические изменения шейки мочевого пузыря, простатической уретры и внешнего сфинктера уретры во время мочеиспускания. В начале мочеиспускания шейка мочевого пузыря открывалась, за этим следовало расширение простатической уретры, и, наконец, открывался наружный сфинктер уретры. После завершения мочеиспускания сначала закрылся наружный сфинктер уретры, затем простатическая уретра и, наконец, шейка мочевого пузыря. Это первое наблюдение за динамическими изменениями комплекса шейка мочевого пузыря-простатическая уретра-наружный сфинктер уретры у собак. Мы считаем, что это имеет значение для будущих исследований уродинамики за счет внедрения новых подходов. Будущие разработки могут интегрировать датчики давления в капсульный эндоскоп. Во время его выталкивания через мочеиспускательный канал могут быть получены данные динамической визуализации и давления из различных отделов мочевого пузыря и мочевыводящих путей. Это уменьшает вмешательство в мочевыводящие пути и снимает психологическое напряжение у пациентов.

Это исследование продемонстрировало возможность использования капсульной эндоскопии для получения изображений собачьего мочевого пузыря, тем самым заложив основу для ее применения в точных уродинамических оценках. В нем подчеркивается потенциал долгосрочного динамического мониторинга в клинических условиях с помощью капсульной цистоскопии. Тем не менее, ограничения включают небольшой размер выборки и зависимость от моделей собак, что может ограничивать прямую применимость к людям из-за физиологических различий в мочевыделительной системе. Технические проблемы, с которыми в настоящее время сталкивается капсульная эндоскопия при обследовании мочевого пузыря, включают миниатюризацию капсулы, увеличение срока службы батареи и совершенствование механизмов управления. Кроме того, длительное удержание капсулы в мочевом пузыре может повлиять на динамику мочеиспускания, а обширные многоракурсные наблюдения могут привести к получению объемных данных. Тем не менее, ожидается, что текущие достижения в области технологий и искусственного интеллекта преодолеют эти препятствия, повысив точность и осуществимость капсульной эндоскопии для оценки мочевого пузыря. В конечном счете, это исследование не только уменьшает нарушение нормальной функции мочевыводящих путей во время обследований, но и способствует развитию диагностических технологий. Это может произвести революцию в стратегиях раннего выявления и лечения заболеваний мочевого пузыря, открыв новые возможности для медицинских инноваций и ухода за пациентами.

Авторам нечего раскрывать.

Финансирование: Эта работа была поддержана Специальным проектом развития науки и технологий Куньшань (KS18062), Проектом развития клинической науки и технологий Университета Цзянсу (JLY20180110) и Проектом научного образования и укрепления здоровья Первой народной больницы Куньшаня (CXTD21-D02).

ВКЛАД АВТОРА:
Ян Юань задумал исследование, провел эксперименты и подготовил рукопись. Лейи Лю проанализировал данные. Дингли Ху и Шихао Чжан предоставили критически важные ресурсы и помогли с интерпретацией данных. Бинг Ван участвовал в обзоре литературы и редактировании рукописей. Юньлун Ли, как автор-корреспондент, курировал направление проекта и доработку рукописи. Все авторы обсудили результаты и утвердили окончательный вариант рукописи к публикации.

ДОСТУПНОСТЬ ДАННЫХ:
Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту статью.