Görüntüleme sistemi gerçek zamanlı Non-invaziv küçük hayvan görüntüleme için el klinik Photoacoustic
Summary
Klinik bir el photoacoustic görüntüleme sistemi gerçek zamanlı non-invaziv küçük hayvan görüntüleme için gösterilecektir.
Abstract
Çeviri photoacoustic görüntüleme klinik içine büyük bir sorun olduğunu. El gerçek zamanlı klinik photoacoustic görüntüleme sistemleri çok nadirdir. Burada, bir kombine photoacoustic ve klinik ultrason görüntüleme sistemi ile küçük hayvan görüntüleme için ışık teslim bir ultrason sonda entegre ederek raporu. Bunu yanında gösterilen sentinel lenf nodu düşsel minimal invaziv gerçek zamanlı iğne rehberlik birlikte küçük hayvanlarda göstermek. Ham kanal veri erişimi olan bir klinik ultrason platform önde gelen el gerçek zamanlı klinik photoacoustic görüntüleme sistemi Imaging photoacoustic uyum sağlar. Metilen mavisi sentinel lenf nodu düşsel vasıl 675 nm dalga boyları için kullanıldı. Ayrıca, ikili kalıcı ultrason ve photoacoustic görüntüleme iğne rehberliğinde görüntüleme sistemi kullanarak gösterildi. 1.5 cm’ye kadar olan derinliği görüntüleme kare hızı saniyede 5 kare Imaging bir photoacoustic bir 10 Hz lazer ile gösterilmiştir.
Introduction
Algılama ve kanserinin evreleme için farklı görüntüleme teknikleri kullanılabilir. Bazı yaygın olarak kullanılan görüntüleme yöntemleri manyetik rezonans görüntüleme (MRG), x-ışını Bilgisayarlı Tomografi (BT), röntgen, ultrason (bizi), Pozitron emisyon tomografisi (PET), görüntüleme, Floresan vb1,2, 3 , 4. ama varolan görüntüleme teknikleri ya da bazı invaziv, zararlı radyasyon var, ya da yavaş, pahalı, hantal veya hastalara düşmanca. Böylece, yeni, teşhis ve tedavi5için hızlı ve uygun maliyetli görüntüleme teknikleri geliştirmek için sürekli bir ihtiyaç vardır.
Photoacoustic (PAI) görüntüleme zengin optik kontrast bir daha derin görüntüleme derinliğini5,6,7,8ultrasonik yüksek çözünürlükte birleştirir gelişmekte olan bir görüntüleme tekniği olduğunu, 9. PAI içinde kısa lazer nabzı doku ışınlama için kullanılır. Işık küçük sıcaklık yükselmeye neden doku tarafından absorbe. Thermoelastic genişleme nedeniyle basınç dalgaları (akustik dalgalar biçiminde) doku içinde oluşturulur. Oluşturulan akustik dalgalar (photoacoustic) (PA) dalga olarak da bilinir) bir geniş bant ultrason çevirici ile iktisap (UST) doku sınır dışında. Alınan bu PA sinyaller PA görüntüleri, doku içinde yapısal ve fonksiyonel bilgi vermeden yeniden oluşturmak için kullanılabilir. PAI uygulamaları da dahil olmak üzere, geniş bir dizi vardır: damar görüntüleme, sentinel lenf nodu görüntüleme, beyin damarlara görüntüleme, tümör görüntüleme, moleküler görüntüleme, vb10,11,12, 13,14,15 PAI vardır sayısız uygulama avantajları nedeniyle, yani: derin penetrasyon derinliği, iyi Uzaysal çözünürlük ve yüksek yumuşak doku kontrast. PAI içinde kontrast kan, melanin, vbendojen olabilir. Endojen kontrast yeterince güçlü değil, eksojen kontrast ajanlar gibi organik Boyar maddeler, nano tanecikleri, kuantum nokta, vb16,17,18,19, 20 , 21 karşıtlığı artırmak için kullanılabilir.
PAI göre diğer görüntüleme teknikleri çok sayıda avantaj bulunsa da, klinik çeviri hala çok büyük bir sorundur. Ana kısıtlama kullanılan lazerler hantal doğası vardır, çoğu veri toplama için kullanılan USTs klinik ABD sistemleri ve non-durumu için ham kanal erişim vermek ticari olarak mevcut klinik ABD görüntüleme sistemleri ile uyumlu değildir veri. Ancak son zamanlarda, ham veri erişimi olan ticari klinik ABD makineleri kullanılabilir22haline gelmiştir. Bu çalışmada, PAI fizibilite ile bir el set-up bir klinik ABD platformu kullanarak göstermek hedefliyoruz. Bu non-invaziv görüntüleme sentinel Lenf bezleri (SLNs) küçük bir hayvan modelinde göstererek göstermek hedefliyoruz.
İnvaziv meme tümörleri kadınlar arasında kanser ölüm sebeplerinden biridir. Tanılama ve meme kanseri erken evreleme hastanın prognozu içinde önemli bir rol oynamaktadır tedavi stratejileri, karar vermek için hayati önem taşımaktadır. Meme için hazırlama sentinel lenf nodu biyopsisi (SLNB) genellikle kanser23,24kullanılır. SLN birincil lenf nodu burada kanser hücreleri bulma olasılığı en yüksek metastaz nedeniyle olmasıdır. SLNBs bir boya veya bir radyoaktif izleyici, ardından küçük bir kesi ile alanı açık kesme ve görsel olarak boya durumunda veya durumunda radyoaktif bir izleyiciyi Geiger sayacı yardımıyla SLN bulma enjekte içerir. Kimlik sonra birkaç SLN histopatolojik çalışmalar24,25için kaldırılır. Pozitif SLNB tümör yakındaki lenf düğümlerine ve belki diğer organlara metastaz yapmış gösterir. Negatif SLNB metastaz olasılığını ihmal edilebilir26olduğunu gösterir. SLNB kol uyuşma, Lenfödem, ilişkili SLNB komplikasyonlar ortadan kaldırmak için vb27 gibi ilişkili birçok komplikasyonları vardır, bir non-invaziv görüntüleme tekniği gereklidir.
SLN eşlemesindeki küçük hayvanlar ve insanlar için Imaging PA kapsamlı farklı kontrast ajanlar15,28,29,30,31 yardımıyla araştırılmalıdır , 32. ancak, şu anda kullanılan sistemler klinik bir senaryoda daha önce belirtildiği gibi kullanılamaz. Ele alınması gereken bir diğer endişe SLNB28dahil cerrahi işlemdir. İnce iğne aspirasyon biyopsisi için minimal invaziv yordamlar adapte (FNAB) kurtarma süresini ve hastalar yan etkileri azaltmak için ihtiyaç vardı. Bu çalışmada, bir klinik ABD sistemi kullanıldı için kombine ABD ve PA görüntüleme kullanıldı. Klinik Kur kullanımı kolaylaştırmak için bir özel yapılmış el sahibi konut fiber optik ve UST için tasarlanmıştır. Metilen mavisi (MB) belirlenmesi ve eşleme SLNs. Ayrıca, komplikasyonlar SLNB cerrahi ile ilişkili ortadan kaldırmak için kullanılan non-invaziv gerçek zamanlı iğne izleme de gösterdi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Şu anda tarama, tanı ve tedavi kanser maliyeti çok yüksektir. Görüntüleme yöntemleri hangi kanser tarama ve tanı için kullanılmakta olan farklı vardır. Ancak, bu görüntüleme teknikleri çok hantal makine boyutu, invaziv tanı, unfriendliness iyonizan radyasyon, hastalar, çok pahalı, gereksinim veya radyoaktif kontrast ajanlar kullanımı da dahil olmak üzere sınırlamalar. Bu nedenle, verimli, uygun maliyetli, gerçek zamanlı görüntüleme ve sistem rehberlik çok gereklidir. Kombine ABD ve PA gör?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Singapur Milli Eğitim Bakanlığı tarafından finanse edilen Tier 1 araştırma bütçesi mali destekten kabul etmek istiyorum (RG48/16: M4011617) ve Singapur Milli Eğitim Bakanlığı tarafından finanse edilen Tier 2 araştırma bursu (ARC2/15: M4020238). Yazarlar Dr Rhonnie Avusturya Dienzo işleme hayvanla yardımını kabul etmek istiyorum.
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).
