כף יד Photoacoustic קליניים מערכת הדמיה עבור בזמן אמת לא פולשנית הדמיה בעלי חיים קטנים
Summary
Photoacoustic כף יד קליני מערכת הדמיה תודגמנה עבור בזמן אמת לא פולשנית הדמיה בעלי חיים קטנים.
Abstract
תרגום photoacoustic הדמיה לתוך המרפאה הוא אתגר גדול. מערכות הדמיה כף יד photoacoustic קלינית בזמן אמת הם נדירים מאוד. כאן, אנו מדווחים photoacoustic משולב ואולטרסאונד קליניים מערכת הדמיה באמצעות שילוב של החללית אולטרסאונד עם אור משלוח עבור הדמיה בעלי חיים קטנים. נדגים זאת באמצעות מציג בלוטת הזקיף הצומת לימפה הדמיה של חיות קטנות יחד עם הדרכה פולשנית מחט בזמן אמת. פלטפורמה סאונד קליניים גישה לנתוני ערוץ raw מאפשרת השילוב של photoacoustic המוביל קליניים כף יד בזמן אמת photoacoustic מערכת הדמיה הדימות. מתילן כחול שימש בלוטת הזקיף הצומת לימפה הדמיה-675 גל nm. בנוסף, הוצגה המחט הדרכה עם אולטרסאונד מודאלי כפול ו- photoacoustic הדמיה באמצעות מערכת הדמיה. עומק הדמיה של עד 1.5 ס מ הודגם עם לייזר 10 הרץ-photoacoustic הדמיה במסגרת שיעור של 5 מסגרות לשנייה.
Introduction
זיהוי, הזמני של סרטן, טכניקות הדמיה שונים הינם זמינים. חלק שיטות הדמיה בשימוש נרחב דימות תהודה מגנטית (MRI), רנטגן טומוגרפיה ממוחשבת (CT), רנטגן, אולטראסאונד (לנו), טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET), קרינה פלואורסצנטית הדמיה, וכו1,2, 3 , 4. אבל, כמה טכניקות הדימות הקיימים הם גם פולשני, יש קרינה מזיקה, או איטי, יקר, מגושם או עוין לחולים. לפיכך, יש צורך מתמיד לפיתוח חדשה, מהירה וחסכונית טכניקות הדמיה עבור אבחון וטיפול5.
Photoacoustic הדמיה (PAI) היא טכניקת דימות המתעוררים, המשלבת ניגודיות אופטי עשיר עם רזולוציה גבוהה אולטראסוניות עמוק הדמיה עומק5,6,7,8, 9. בפאי, פולס לייזר קצר משמש לרקמות הקרנה. האור נספג על ידי הרקמה אשר מוביל לעלייה קטנים בטמפרטורה. עקב התרחבות thermoelastic, גלי הלחץ (בצורה של גלים אקוסטיים) נוצרים בתוך הרקמה. הגלים שנוצר אקוסטי (הידוע גם בשם photoacoustic (פי אי) גלים) נרכש עם מתמר אולטרסאונד רחבת פס (UST) מחוץ לגבול רקמות. אותות הרשות הפלסטינית רכשה אלה ניתן לשחזר תמונות הרשות הפלסטינית, חשיפת המידע המבני ופונקציונליים בתוך הרקמה. פאי יש מגוון רחב של יישומים, כולל: דימות כלי דם, בלוטת הזקיף הצומת לימפה הדמיה, הדמיה מוחית להערכת, הגידול הדמיה, הדמיה מולקולרית, ועוד10,11,12, 13,14,15 פאי יש יישומים רבים עקב יתרונותיה, כלומר: עומק החדירה עמוק יותר, רזולוציה מרחבית טובה וחדות גבוהה רקמות רכות. הניגוד בין פאי ניתן אנדוגני של דם, מלנין, וכו ‘. כאשר הניגוד אנדוגני אינו חזק מספיק, סוכנים בניגוד אקסוגניים כמו צבעים אורגניים, חלקיקים, נקודות קוונטיות, ועוד16,17,18,19, 20 , 21 יכול לשמש לשיפור הניגודיות.
למרות פאי יש יתרונות רבים יחסית הדימות האחרות, תרגום קליני הוא עדיין אתגר מאוד גדול. המגבלות העיקריות הן טבעה מגושם של הלייזרים בשימוש, רוב USTs המשמש עבור רכישת הנתונים אינם תואמים קליניים בארה ב מערכות זמינות הלא זמינים מסחרית קליניים בארה ב הדמיה מערכות אשר נותנות גישה לערוץ raw נתונים. רק לאחרונה, מסחרי-קליניים בארה ב מכונות עם גישה אל הנתונים הגולמיים הפכו זמינים22. בעבודה זו, אנו שואפים להדגים את הכדאיות של פאי עם מלכודת כף יד באמצעות פלטפורמה קליניים בארה ב. אנו שואפים להדגים את זה על-ידי הצגת הדמיה לא פולשנית של נטור הלימפה (SLNs) במודל בעלי חיים קטנים.
שד פולשני גידולים הם אחד הגורמים המובילים מקרי המוות מסרטן בקרב נשים. באבחון של היערכות סרטן שד מוקדם חיוני להחלטה אסטרטגיות טיפול, אשר יש תפקיד חשוב ב הפרוגנוזה של החולה. השד סרטן בלוטת הזקיף הזמני הצומת לימפה ביופסיות (SLNB) הם בדרך כלל להשתמש23,24. SLN הוא הצומת לימפה העיקרי שבו האפשרות למצוא תאים סרטניים הוא הגבוה ביותר עקב גרורות. SLNBs לערב הזרקת צבע או מכשיר מעקב רדיואקטיבי, חותכת את האזור עם חתך קטן, ולאחר מכן באיתור את SLN חזותית במקרה של צבע או בעזרת מונה גייגר, במקרה של מכשיר מעקב רדיואקטיבי. לאחר זיהוי, כמה SLN יוסרו עבור מחקרים histopathological24,25. SLNB חיובי מציין כי הגידול שלח גרורות לבלוטות לימפה סמוכות, ואולי לאיברים אחרים. SLNB שלילי מציין ההסתברות של גרורות הוא זניח26. SLNB יש סיבוכים רבים המשויכים אליו כמו קהות זרוע, בצקת לימפתית, וכו27 כדי למנוע סיבוכים הקשורים SLNB, טכניקה הדמיה לא פולשנית נדרשת.
למיפוי SLN קטן בבעלי חיים ובבני אדם, הרשות הפלסטינית הדמיה יש נחקרו בהרחבה עם העזרה של ניגודיות שונים סוכנים15,28,29,30,31 , 32. עם זאת, המערכות המשמש כיום לא ניתן להשתמש בתרחיש קליניים כמו ציין קודם לכן. חשש נוסף יש לטפל הוא הליך כירורגי המעורבים SLNB28. התאמת נהלים פולשנית לביופסיה השאיפה מחט בסדר (FNAB) היה צורך כדי להפחית את זמן ההחלמה ואת תופעות הלוואי של המטופלים. בעבודה זאת, שימש מערכת ארה ב קליניים עבור הדמיה ארה”ב והרשות המשולב היה בשימוש. קלות שימוש בהגדרת קליני, שמותאמת אישית שנעשו כף יד בעל סיב אופטי דיור, רק תוכנן. מתילן כחול (MB) שימש זיהוי ומיפוי SLNs. בנוסף, כדי למנוע סיבוכים הקשורים לניתוח SLNB, לא פולשנית מחט בזמן אמת מעקב גם הוכח.
Protocol
Representative Results
Discussion
כיום העלות של ההקרנה, אבחון וטיפול של סרטן הוא גבוה מאוד. יש שונות הדמיה שיטות אשר משמשות עבור הקרנת סרטן ואבחון. אולם, רבים של טכניקות הדמיה אלה יש מגבלות כולל גודל המכונה מגושם, אבחון פולשני, unfriendliness חולים, יקר מדי, הדרישה של קרינה מייננת, או השימוש סוכנים בניגוד רדיואקטיבי. לכן, מערכת לדימ?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים, הייתי רוצה לקבל סיוע כספי מן המענק Tier 1 מחקר ממומן על ידי משרד החינוך של סינגפור (RG48/16: M4011617) וגראנט Tier 2 מחקר ממומן על ידי משרד החינוך של סינגפור (ARC2/15: M4020238). המחברים רוצה להכיר את ד ר Rhonnie אוסטריה Dienzo לעזרה שלו לטיפול בבעלי חיים.
Materials
| Q-switched Nd:YAG laser | Continuum | Surelite | Pump laser |
| Optical parametric oscillator | Continuum | OPO laser | |
| Clinical ultrasound imaging system | Alpinion | E-CUBE 12R | Dual modal ultrasound and photoacoustic imaging system |
| Linear array ultrasound transducer | Alpinion | L3-12 | 128 element linear array transducer with centre frequency of 8.5 MHz, fractional bandwidth of 95%, |
| Bifurcated optical fiber | CeramOptec | Custom made | To couple the light from the laser to the handheld fiber holder |
| Lens | Thorlabs | LB1869 | Focus light from the laser to the optical fiber |
| Ultrasound gel | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Acoustic coupling |
| Image Processing software | Mathworks | Matlab | Home made program using Matlab |
| Anesthetic Machine | medical plus pte ltd | Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator. | Supplies oxygen and isoflurane to animal |
| Pulse Oxymeter portable | Medtronic | PM10N with veterinary sensor | Monitors the pulse oxymetry of the animal |
| Animal distributor | In Vivos Pte Ltd, Singapore | Animal distributor that supplies small animals for research purpose. | |
| Breathing mask | Custom made | Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal | |
| chicken breast tissue | Pasar | Used to add depth to mimic human imaging scenario | |
| 23G needle | BD Precisionglide | 23G,1 and half inch | Used for realtime needle guidance |
| Holder for the fiber optic cable | Custom made | To hold the input end of the bifurcated cable | |
| Handheld probe | Custom made 3D printed | With two slots for the two output ends of the optical fiber and one slot for the ultrasound transducer | |
| Methylene blue (10 mg/mL) | Sterop | Contrast agent for PA imaging | |
| Laser tuning software | Surelite OPO PLUS | SLOPO | Software to tune the wavelength of OPO laser |
| Photodiode | Thorlabs | SP05/M | To detect the laser pulse to trigger the ultrasound system |
| Photodiode bias module | Thorlabs | PBM42 | To amplify the photodiode signal to tigger ultrasound signal |
| Depilatory cream | Reckitt Benckiser | Veet | Used to remove hair from the imaging area |
| Laser power meter | Ophir | Starlite, p/n: 7Z01565 | Used to measure the laser power |
Referenzen
- Yun, S. H., Kwok, S. J. Light in diagnosis, therapy and surgery. Nat. Biomed. Eng. 1, 0008 (2017).
- Tseng, J., et al. Clinical accuracy of preoperative breast MRI for breast cancer. J. Surg. Oncol. , (2017).
- Baran, P., et al. Optimization of propagation-based x-ray phase-contrast tomography for breast cancer imaging. Phys. Med. Biol. 62 (6), 2315 (2017).
- Huzarski, T., et al. Screening with magnetic resonance imaging, mammography and ultrasound in women at average and intermediate risk of breast cancer. Hered. Cancer Clin. Pract. 15 (1), 4 (2017).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041006 (2017).
- Wang, L. V., Yao, J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nat. Methods. 13 (8), 627-638 (2016).
- Wang, L. V., Gao, L. Photoacoustic microscopy and computed tomography: from bench to bedside. Annu Rev Biomed Eng. 16, 155-185 (2014).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1 (4), 602-631 (2011).
- Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic tomography: fundamentals, advances and prospects. Contrast Media Mol Imaging. 6 (5), 332-345 (2011).
- Hai, P., et al. Label-free high-throughput detection and quantification of circulating melanoma tumor cell clusters by linear-array-based photoacoustic tomography. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041004 (2017).
- Upputuri, P. K., Kalva, S. K., Moothanchery, M., Pramanik, M. Pulsed laser diode photoacoustic tomography (PLD-PAT) system for fast in vivo imaging of small animal brain. Proc Spie. , (2017).
- Fakhrejahani, E., et al. Clinical report on the first prototype of a photoacoustic tomography system with dual illumination for breast cancer imaging. PLoS One. 10 (10), e0139113 (2015).
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Pan, D., et al. Molecular photoacoustic imaging of angiogenesis with integrin-targeted gold nanobeacons. FASEB J. 25 (3), 875-882 (2011).
- Erpelding, T. N., et al. Sentinel Lymph Nodes in the Rat : Noninvasive Photoacoustic and US imaging with a clinical US system. Radiology. 256 (1), 102-110 (2010).
- Gawale, Y., et al. Carbazole-Linked Near-Infrared Aza-BODIPY Dyes as Triplet Sensitizers and Photoacoustic Contrast Agents for Deep-Tissue Imaging. Chem. Eur. J. 23 (27), 6570-6578 (2017).
- Sivasubramanian, K., et al. Near Infrared light-responsive liposomal contrast agent for photoacoustic imaging and drug release applications. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041007 (2017).
- Huang, S., Upputuri, P. K., Liu, H., Pramanik, M., Wang, M. A dual-functional benzobisthiadiazole derivative as an effective theranostic agent for near-infrared photoacoustic imaging and photothermal therapy. J. Mater. Chem. B. 4 (9), 1696-1703 (2016).
- Huang, S., Kannadorai, R. K., Chen, Y., Liu, Q., Wang, M. A narrow-bandgap benzobisthiadiazole derivative with high near-infrared photothermal conversion efficiency and robust photostability for cancer therapy. Chem. Comm. 51 (20), 4223-4226 (2015).
- Wu, D., Huang, L., Jiang, M. S., Jiang, H. Contrast Agents for Photoacoustic and Thermoacoustic Imaging: A Review. Int. J. Mol. Sci. 15 (12), 23616-23639 (2014).
- Pramanik, M., Swierczewska, M., Green, D., Sitharaman, B., Wang, L. V. Single-walled carbon nanotubes as a multimodal-thermoacoustic and photoacoustic-contrast agent. J. Biomed. Opt. 14 (3), 034018 (2009).
- Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Sci. Rep. 6, 35137 (2016).
- McMasters, K. M., et al. Sentinel lymph node biopsy for breast cancer: a suitable alternative to routine axillary dissection in multi-institutional practice when optimal technique is used. J. Clin. Oncol. 18 (13), 2560-2566 (2000).
- Krag, D., et al. The sentinel node in breast cancer – a multicenter validation study. N. Engl. J. Med. 339 (14), 941-946 (1998).
- Borgstein, P. J., Meijer, S., Pijpers, R. Intradermal blue dye to identify sentinel lymphnode in breast cancer. The Lancet. 349 (9066), 1668-1669 (1997).
- Ung, O. A., South, N., Breast, W., Hospital, W. Australasian Experience and Trials in Sentinel Lymph Node Biopsy: The RACS SNAC Trial. Asian J. Surg. 27 (4), 284-290 (2004).
- Purushotham, A. D., et al. Morbidity after sentinel lymph node biopsy in primary breast cancer: results from a randomized controlled trial. J. Clin. Oncol. 23 (19), 4312-4321 (2005).
- Kim, C., et al. Handheld array-based photoacoustic probe for guiding needle biopsy of sentinel lymph nodes. J. Biomed. Opt. 15 (4), 046010 (2010).
- Garcia-Uribe, A., et al. Dual-Modality Photoacoustic and Ultrasound Imaging System for Noninvasive Sentinel Lymph Node Detection in Patients with Breast Cancer. Sci. Rep. 5, 15748 (2015).
- Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. Sentinel Lymph Nodes and Lymphatic Vessels: Noninvasive Dual-Modality in Vivo Mapping by Using Indocyanine Green in Rats-Volumetric Spectroscopic Photoacoustic Imaging and Planar Fluorescence Imaging. Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).
- Pan, D., et al. Near infrared photoacoustic detection of sentinel lymph nodes with gold nanobeacons. Biomaterials. 31 (14), 4088-4093 (2010).
- Song, K. H., Kim, C., Cobley, C. M., Xia, Y., Wang, L. V. Near-infrared gold nanocages as a new class of tracers for photoacoustic sentinel lymph node mapping on a rat model. Nano Lett. 9 (1), 183-188 (2009).
- Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Wen, K. K., Pramanik, M. Optimizing light delivery through fiber bundle in photoacoustic imaging with clinical ultrasound system: Monte Carlo simulation and experimental validation. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041008 (2017).
- Sivasubramanian, K., Pramanik, M. High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system. Biomed. Opt. Express. 7 (2), 312-323 (2016).
- Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. , (2007).
- Chapman, G. A., Johnson, D., Bodenham, A. R. Visualisation of needle position using ultrasonography. Anaesthesia. 61 (2), 148-158 (2006).
- Daoudi, K., et al. Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging. Opt. Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).
