犬の膀胱検査における遠隔操作高精細カプセル内視鏡検査の応用

ここでは、高精細カプセル内視鏡を使用して犬の膀胱を検査し、外科的に移植し、膀胱壁と排尿ダイナミクスの画像をキャプチャするためのプロトコルを紹介します。この手順は、正確な尿流動態研究を開発するための洞察を提供します。

この研究では、犬のモデルを使用した膀胱検査のためのカプセル内視鏡検査の実現可能性と潜在的な応用を調査しました。3匹の成犬の雄ビーグル犬に嚢鏡を外科的に移植し、3つのグループに分け、各グループに1匹のビーグル犬を持たせました:グループA(ビーグルA)は8時間固定仰臥位のまま、グループB(ビーグルB)は8時間自由に動き、グループC(ビーグルC)は手動で体位調整(腹臥位、仰臥位、しゃがみ)をそれぞれ20分間行いました。埋め込まれたカプセル内視鏡は、すべての犬で正常に機能しました。グループAは主に膀胱基部の画像をキャプチャしました(6時間27分)。グループ B は、自然排尿中の膀胱頸部、前立腺窩、および外部尿道括約筋の動的な視覚化を含む、膀胱頸部と基部の画像を取得しました (7 時間 12 分)。グループCでは、膀胱頸部、基部、および頂点の画像が得られました(56分)。この研究の結果は、カプセル内視鏡検査が犬の膀胱壁の動的で高品質の画像を提供する能力を実証し、正確で尿力学的な評価を開発する可能性を示唆しています。

経尿道的膀胱鏡検査は、泌尿器科手術における一般的な診断ツールであり、膀胱がんの診断方法としてだけでなく、治療や術後のフォローアップの重要な手段としても臨床的に広く使用されています¹。しかし、従来の膀胱鏡検査は、硬性であれ柔軟であれ、患者に不快感を与えることが多く、尿道損傷や逆行性感染症などの合併症を引き起こす可能性があります²。さらに、従来の尿流動態検査は、尿路の正常な生理学的活動と患者の精神的および心理的活動を乱すことにより、必然的に結果に特定のエラーをもたらします^3,4,5。したがって、小型化され、快適で、死角がなく、より正確な診断方法の開発は、膀胱鏡検査の進歩の将来の方向性を表しています。

カプセル内視鏡検査は、ワイヤレス内視鏡検査とも呼ばれ、胃腸検査に広く適用されており、利便性、無痛性、交差感染の欠如、正常な患者の活動に支障をきたさないなどの利点があります。カプセル内視鏡検査による包括的な消化管画像データの痛みのない取得は、標準的な方法になっています^6,7,8。膀胱が尿道を介して外部環境に接続された中空の器官であることを考えると、尿道を介して適切なサイズのカプセルを膀胱に導入することができます。

これに基づき、カプセル膀胱鏡の概念を提唱し、動物実験を通じてその利点と新規診断ツールとしての応用可能性を探ることで、カプセル内視鏡技術の今後の展開に新たな知見を提供します。これに関連して、カプセル膀胱鏡は、生理学的排尿プロセス中に明確な膀胱内画像を取得し、さまざまな構造の動的変化を捉えることができると仮定しています。これにより、将来的には患者の不快感を最小限に抑え、膀胱鏡検査の適応を拡大する可能性があります。

この研究は、江蘇大学崑山病院の医療倫理委員会によって承認され、実験動物の倫理と福祉に関するガイドラインを厳格に遵守しています。倫理承認文書番号は2021-06-008-K01です。

1. 対象

1. 研究には3頭の健康な成人オスのビーグル犬を使用してください。それらをグループA、B、Cにランダムに分け、グループごとに1匹の犬を配置します。
2. 選択基準: 生後 24 か月、体重約 12 kg で、心血管疾患、腎疾患、およびその他の慢性疾患がない動物を含めます。
3. 除外基準: 実験前 1 週間以内に何らかの薬物治療を受けた動物を除外します。

2. 実験材料

1. 高精細インテリジェントカプセル、イメージレコーダー、ワークステーションなどのカプセル内視鏡システムを用いて膀胱検査を行います。カプセル内視鏡は約11mm×25mmで、2フレーム/秒(FPS)で画像をキャプチャし、8〜10時間動作し、約60,000フレームを送信できます。

3. 実験計画

1. 術前準備
   1. ビーグル犬を8時間絶食させ、手術前に2時間水を控えてください。
   2. 予防的抗生物質として、手術の30分前にアンピシリン(22 mg / kg)を皮下投与します。.
   3. クリッパーを使用して、左前肢の内側と下腹部から毛を取り除きます。手術部位を滅菌生理食塩水で洗浄し、滅菌ガーゼで乾かします。手術部位をポビドンヨードで消毒します。
   4. 20 G の静脈内カテーテルを左前肢の橈側静脈に留置します。ビーグル犬を手術台に固定します。
2. 麻酔
   1. バイタルサインを監視します。鎮静のために塩酸デクスメデトミジン(0.005 mL / kg)を静脈内投与し、続いて麻酔導入のためにプロポフォール(1.0 mL / kg)を投与します。.
   2. 喉頭鏡を使用して、8mmの気管内チューブを気管に挿入します。聴診で正しい位置を確認し、チューブをテープで固定します。
   3. ビーグル犬を獣医用麻酔器に接続し、吸入により酸素中の1.5%から3%のイソフルランで麻酔を維持します。
3. カプセル内視鏡移植
   1. ビーグル犬を仰臥位にし、イメージレコーダーを近くに置きます。
   2. 下腹部をポビドンヨードで3回消毒し、滅菌済みの外科用ドレープを塗布します。
   3. #3メスの柄と#10の刃を使用して、陰茎に隣接して10cmの縦方向に切開します。皮膚と皮下組織を切開し、腹筋を鈍く解剖します。2つの止血器を使用して腹膜を持ち上げたり引っ込めたりします。
   4. 膀胱の位置を特定し、非外傷性鉗子でそっとつかみます。損傷を防ぐために、膀胱を持ち上げて固定します。
   5. 膀胱を1cm切開します。
   6. カプセル内視鏡を取り外します。専用のユニバーサルシリアルバス(USB)ケーブルを使用してイメージレコーダーをワークステーションに接続し、イメージレコーダーの電源ボタンを3秒間押し続けて電源を入れます。
   7. ワークステーションのデスクトップ上のOMOM Oveアイコンをダブルクリックします。ワークステーションソフトウェアにログインするためのユーザー名とパスワードを入力します。 「Add Patient」 をクリックし、ビーグル号の情報を入力してから、「 Save」をクリックします。
   8. ワークステーションソフトウェアの[ 患者情報 ]セクションで、カプセル内視鏡のシリアル番号とチャネル番号を入力して、カプセルをアクティブにします。 「次へ」をクリックし、「 新規ケースを作成」をクリックします。デバイスのフォーマットを求められたら、[ はい] を選択します。
   9. カプセル内視鏡が正常に機能していることを確認します。 [Real-time View ]をクリックして、カプセル内視鏡の画像を表示します。
      注意: 通常の操作では、イメージレコーダーのACEインジケーターライトとカプセルのLEDが同期して点滅します。
   10. カプセル内視鏡をポビドンヨードで消毒し、膀胱に入れます。
   11. 膀胱切開部を連続的な4-0吸収性縫合糸で閉じます。腹壁の層を閉じてから、2-0シルク縫合糸で皮膚を閉じます。手術後、ビーグル犬をケージに移します。移載中は、イメージレコーダーをビーグル犬から1m以内に保ち、カプセル内視鏡からの切断を避けてください。
4. 画像取得
   1. イメージレコーダーをケージの上部に固定し、安全を確保します。
   2. ワークステーションの[ 設定 ]ボタンをクリックし、[ イメージレコーダーの再起動 ]を選択してイメージレコーダーを再アクティブ化し、カプセル内視鏡の動作ステータスと接続を確認します。
   3. ビーグルAを小型犬用ケージに8時間閉じ込めて、静寂を保ちます。ビーグルBが8時間自由に動くのを待ちます。
   4. ビーグルCに、穏やかな身体サポートを使用して腹臥位、仰臥位、しゃがみ姿勢を維持し、各姿勢を20分間観察して、動物の快適さを確保し、苦痛を最小限に抑えます。
   5. イメージレコーダーを使用して、Beagle Cからの膀胱画像を監視および記録します。[ リアルタイム表示 ]をクリックしてカプセルのライブビデオフィードにアクセスし、[ 録画の開始 ]ボタンをクリックして画像取得を開始し、[ 録画の停止 ]ボタンをクリックして終了します。十分なデータを取得したら、イメージレコーダーの電源ボタンを手動で押して電源を切ります。
   6. 約8時間後、グループAおよびBのイメージレコーダーのACTインジケーターライトの点滅が10分間止まったら、検査を終了し、レコーダーの電源を切ります。
   7. グループAおよびBの8時間の実験期間の終了時に、グループCの画像取得後、セクション3.2で概説されている手順に従って犬に再度麻酔をかけます。
   8. 膀胱切開術により、カプセル内視鏡を膀胱から外科的に取り外します。セクション3.3で説明されているように、膀胱と腹部の切開を閉じます。
      犬が柔らかい寝具を備えた清潔で静かなケージで回復できるようにします。必要に応じて抗感染症療法と体液療法を投与します。.
   9. イメージレコーダーをワークステーションに接続します。イメージレコーダーの電源を入れ、ワークステーションソフトウェアにログインします。 「Case Review」をクリックします。その後、システムは自動的に画像データをダウンロードします。ダウンロードが完了したら、イメージデータをワークステーションのハードドライブに保存します。
   10. 取得した画像データを解析します。

この研究では、各ビーグル犬(n = 3)が膀胱に外科的に埋め込まれたカプセル内視鏡を1つ受け、すべての動物が術後の正常な回復を示しました。カプセル内視鏡は適切に機能し、画像検査で確認されたように、犬の体内に安全に留まりました(図2)。遠隔操作下で、デバイスは、ドーム、後壁、前壁、首、および左右の側壁の両方を含む、さまざまな段階で膀胱のすべての解剖学的領域の鮮明な画像をキャプチャしました。ビーグルAでは、内視鏡は主に膀胱基部の6時間27分間の画像を取得しました(図2A)。ビーグルBでは、内視鏡は7時間および12分間の画像を取得し、これには安静状態の膀胱頸部(図2D)、排尿後(図2H)、および膀胱基部(図2I)の画像が含まれていました。このグループは、犬の正常な生理的排尿過程における膀胱頸部前立腺窩-外部尿道括約筋のダイナミックな変化をうまく捉えました。主な観察結果は、1.排尿開始時の膀胱頸部の開口部(図2E)。2.続いて、前立腺窩の拡張に続いて、尿の流れを可能にするための外部尿道括約筋の開口部が始まります(図2F)。3.排尿後、外尿道括約筋が最初に閉じ、次に前立腺窩が閉じ、最後に膀胱頸部が閉じました(図2G)、排尿の終わりを示します(収集された生理的排尿プロセスのビデオは 、補足ビデオ1として利用可能です)。ビーグルCは、腹臥位、仰臥位、しゃがみ姿勢でそれぞれ20分間、膀胱頸部(図2J)、基部(図2K)、ドーム(図2L)の画像を含む合計56分間の画像取得を行いました。

図1:内視鏡を膀胱に挿入するプロセス (A)カプセル内視鏡の切開と挿入。(B)カプセルの活性化。(C)膀胱の縫合 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:カプセル内視鏡検査とカプセル内視鏡の放射線学的局在から得られた画像 (A)グループAの膀胱基部の画像(巾着縫合出血)。(B)膀胱の内側にあるカプセルを示すグループAのビーグル犬の腹部X線写真。(C)グループAのビーグル犬のCT画像で、カプセルが膀胱内に入っています。(D)グループBの膀胱頸部の画像(安静時)。(E)グループBのビーグル犬の膀胱頸部が拡張し、排尿を開始する画像。(F)膀胱頸部と前立腺窩の拡張、外部尿道括約筋の開口部、尿が排出される、尿の流れとともに膀胱頸部に向かって移動するカプセル内視鏡を示すグループBのビーグル犬の画像。(G)グループBのビーグル犬が膀胱頸部を閉じ、排尿の完了を示す画像。(H) グループBの排尿後の膀胱頸部の画像 (I) グループBの膀胱基部の画像 (J) グループCの膀胱頸部の画像 (K) グループCの中膀胱基部の画像 (L) グループCの膀胱頂点の画像 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。

補足ビデオ1:内視鏡を使用して取得した生理的排尿プロセスのビデオ。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

近年、内視鏡技術の進歩に伴い、硬性膀胱鏡と軟性膀胱鏡の両方が臨床現場で広く適用されています。硬性膀胱鏡検査の従来の適用は、多くの場合、煩雑で、多数の盲点と重大な外傷があります。患者は処置中に高い心理的ストレスを経験し、不快感や痛みに遭遇するだけでなく、心拍数の増加、血圧の上昇、心理的ストレス反応などの生理学的反応に遭遇する可能性があります⁷。一方、柔軟な膀胱鏡検査は、手術の柔軟性が高く、硬性膀胱鏡検査と比較して患者の不快感を軽減し、死角をほぼ排除します。しかし、交差感染のリスクや損傷を受けやすいなどの欠点があります⁹。さらに、従来の膀胱鏡検査は、膀胱粘膜の状態を長期間動的に観察する能力を欠いており、医師の個々の経験に大きく依存しているため、誤診につながる可能性があります。さらに、探索時間や探索角度が限られているため、従来の膀胱鏡検査の診断効率はさらに改善する必要があります^10,11。そのため、便利で持続可能な検査方法が臨床的に急務となっています。

カプセルの移植と回収は、この研究で大きな課題を提示します。現在、臨床現場で広く使用されているカプセル内視鏡は、直径が1cmを超えています。私たちの実験では、使用したカプセル内視鏡の直径は1.1cmで、ビーグル犬の尿道の最も狭い部分よりも幅が広くなっています。したがって、カプセル内視鏡の埋め込みには開腹手術が採用されました。ヒトの尿道の平均直径は、拡張のない男性で5〜7mm、女性で6mmであり、拡張¹²で1cmに拡大します。尿道は閉鎖抵抗を示し、現在利用可能なカプセル内視鏡が膀胱に入るのを防ぎます。その結果、尿道からのカプセル内視鏡の導入と回収には、カプセルサイズを小さくする必要があります。後部尿道結石は静水圧によって膀胱から排出することができ、小さな結石は尿道¹³を通過することができることに留意されたい。十分に小さなカプセルを液体またはカテーテルを介して膀胱に導入し、尿とともに排出できると推測します。しかし、現在の技術でこのような最小サイズを実現することは困難に思えます。カプセル内視鏡に必要なサイズが小さいため、長いバッテリー寿命は必要ありません。これは、ビーグル犬の体位を変えることで膀胱画像のほとんどが急速に取得されたグループCの知見によって裏付けられています。したがって、バッテリーのサイズを小さくすることは、将来的にカプセル嚢鏡の全体的なサイズを小さくするための実行可能なアプローチになる可能性があります。ワイヤレス充電技術もさまざまな分野で急速に進歩しています¹⁴。さらに、カプセルサイズと電池寿命の課題を今後同時に解決することができれば、カプセル内視鏡を膀胱内に長期間放置することも可能になります。この機能により、膀胱がんの再発と進行の長期的なモニタリングが可能になり、膀胱がん手術後に膀胱鏡検査を繰り返す患者の不快感から患者を救うことができる可能性があります。

この実験では、A、B、Cの3つのグループで合計24時間のビデオデータを取得しました。グループAの映像は、膀胱の基部のビューに限定されていました。グループBの映像には膀胱の基部と首の両方のビューが含まれ、グループCの映像には膀胱の首、ベース、ドームのビューが含まれていました。この分析は、以下の理由で行われました。標準的なカプセル内視鏡では、カメラの端(前端)は尾端よりも重く、空気を含んでいるため、液体中にカメラの端が地面に対して垂直に整列したままになります。これは、グループAの映像が一貫して膀胱の基部と整列していたことからも明らかです。グループBの実験では、しゃがんだ位置ではカメラが膀胱の首に位置合わせされ、横たわっている位置では、膀胱のドームの画像をキャプチャせずに膀胱の基部に位置合わせされていることが明らかになりました。グループCの実験では、犬を仰臥位に手動で配置することにより、膀胱のドームの画像を正常にキャプチャしました。

3つの実験グループを比較すると、標準的なカプセル内視鏡は、イヌが自然な状態にあるとき、観察範囲に死角があり、完全な画像を撮影するのが難しいことが明確に示されています。犬の位置を手動で変更することで、膀胱の内壁の大部分を捕捉することができます。カプセル内視鏡が自立して動くことができないという制限に対処するために、現在のソリューションには、磁気制御システムとモーター駆動プロペラシステムが含まれます。磁気カプセルは、最初にGiven Imagingによって設計および開発され、現在では臨床現場で広く使用されており、従来のカプセル内視鏡では胃の完全な画像をキャプチャできないことを克服しています¹⁵。プロペラ駆動カプセルは、2009年にCRIM研究所によって最初に開発されました。ワイヤレスコントローラー、バッテリー、4つのエンジンを搭載したサポートシェルの3つの部分で構成されています。ワイヤレスで制御されるカプセルは、液体で満たされた胃の中で最大7cm/sの速度で移動できます。モーションアシストシステムを搭載した内視鏡カプセルは、液体で満たされた胃の中を動き、画像データの75%以上をキャプチャすることが証明されています¹⁶。膀胱は蠕動運動を欠いており、胃に比べて内部環境が安定しているため、将来的にはこのモーションアシストシステムを膀胱カプセルにも適用して、膀胱のより包括的な画像データを取得することができます。

膀胱鏡検査は、膀胱の異常を観察するだけでなく、異物鉗子を用いた病理物質の回収を可能にする重要な点です。現在、カプセル内視鏡は観察機能しか持たず、生検や治療的介入を行う手段がありません。しかし、カプセル内視鏡検査の将来の開発は、運用および治療機能に向かって徐々に進んでいます。2017年、Sonら¹⁷.カプセル内視鏡検査用の新しい磁気作動システムを導入し、カプセル内の細い中空の針を利用して組織を穿刺し、吸引してサンプリングします。

この研究では、ビーグルBはカプセル内視鏡検査に成功し、排尿中の膀胱頸部、前立腺尿道、および外部尿道括約筋の動的な変化を捉えました。排尿の開始時に、膀胱頸部が開き、続いて前立腺尿道が拡張し、最後に外部尿道括約筋が開いた。排尿が終了した後、外部尿道括約筋が最初に閉じ、次に前立腺尿道が閉じ、最後に膀胱頸部が閉じました。これは、犬の膀胱頸部-前立腺尿道-外部尿道括約筋複合体の動的変化の最初の観察を表しています。これは、新しいアプローチを導入することにより、将来の尿流動態研究にとって重要であると考えています。将来の開発では、圧力センサーをカプセル内視鏡に統合する可能性があります。尿道からの排出中に、膀胱および尿路のさまざまな部分からの動的イメージングおよび圧力データを取得できます。これにより、尿路への干渉が軽減され、患者さんの心理的ストレスが軽減されます。

この研究は、カプセル内視鏡検査を使用して犬の膀胱の画像をキャプチャすることの実現可能性を実証し、それによって正確な尿流動態評価への適用の基礎を築きました。これは、カプセル膀胱鏡検査による臨床現場での長期的な動的モニタリングの可能性を強調しています。ただし、サンプルサイズが小さいことや犬のモデルに依存していることなどの制限があり、泌尿器系の生理学的な違いにより、人間への直接的な適用が制限される可能性があります。現在、膀胱検査におけるカプセル内視鏡検査の技術的課題には、カプセルの小型化、バッテリー寿命の延長、制御メカニズムの改良などがあります。さらに、膀胱内でのカプセルの長期保持は排尿ダイナミクスに影響を与える可能性があり、広範なマルチアングル観察により大量のデータが生成される可能性があります。それにもかかわらず、テクノロジーと人工知能の継続的な進歩により、これらのハードルが克服され、膀胱評価のためのカプセル内視鏡検査の精度と実現可能性が向上することが期待されています。最終的に、この研究は、検査中の正常な尿路機能の混乱を減らすだけでなく、診断技術の進歩を促進します。これにより、膀胱疾患の早期発見と治療戦略に革命をもたらし、医療イノベーションと患者ケアの新たな道を提供する可能性があります。

著者は何も開示していません。

資金提供:この研究は、昆山科学技術開発特別プロジェクト(KS18062)、江蘇大学臨床科学技術開発プロジェクト(JLY20180110)、および昆山の科学教育および健康増進プロジェクト(CXTD21-D02)の第一人民病院によって支援されました。

著者の貢献:
ヤン・ユアンは研究を考案し、実験を行い、原稿を起草しました。Leyi Liuがデータを分析しました。Dingli Hu氏とShihao Zhang氏は、重要なリソースを提供し、データの解釈を支援しました。Bing Wang は、文献レビューと原稿の編集に貢献しました。Yunlong Liは、責任著者として、プロジェクトの方向性と原稿の完成を監督しました。すべての著者が結果について議論し、原稿の最終版を出版することを承認しました。

データの可用性:
この記事には、この調査中に生成または分析されたすべてのデータが含まれています。