Håndholdte kliniske Photoacoustic Imaging System for Real-time Non-invasiv små dyr Imaging
Summary
En klinisk håndholdte photoacoustic imaging system vil blive demonstreret for real-time non-invasiv små dyr billeddannelse.
Abstract
Oversættelse af photoacoustic imaging i klinikken er en stor udfordring. Håndholdt real-time kliniske photoacoustic imaging systems er meget sjældne. Vi rapporterer her, en kombineret photoacoustic og kliniske ultrasound imaging system ved at integrere en ultralydssonde med lys levering for små dyrs imaging. Vi demonstrere det ved viser sentinel lymfeknude imaging i små dyr sammen med minimalt invasiv real-time nål vejledning. En klinisk ultralyd platform med adgang til rå kanaldata giver mulighed for integration af photoacoustic imaging fører til en håndholdt real-time kliniske photoacoustic imaging system. Methylenblåt blev brugt til sentinel lymfeknude imaging på 675 nm bølgelængde. Derudover blev nål vejledning med dobbelt modal ultralyd og photoacoustic imaging vist ved hjælp af billedbehandling system. Dybde imaging på op til 1,5 cm blev demonstreret med et 10 Hz laser på en photoacoustic imaging framerate af 5 billeder i sekundet.
Introduction
Til påvisning og iscenesættelse af kræft er forskellige billeddiagnostiske teknikker til rådighed. Nogle af de udbredte billeddiagnostiske modaliteter er magnetisk resonans imaging (MR), X-Ray computertomografi (CT), X-Ray, ultralyd (os), positron emissions tomografi (PET), fluorescens imaging, etc.1,2, 3 , 4. men nogle af de eksisterende Billeddannende teknikker er enten invasive, har skadelig stråling, eller er langsom, dyrt, voluminøse eller uvenlig til patienter. Således er der et konstant behov for at udvikle nye, hurtige og omkostningseffektive Billeddannende teknikker til diagnostik og terapi5.
Photoacoustic imaging (PAI) er en spirende billedbehandling teknik, der kombinerer rig optisk kontrast med høj ultralyd opløsning på en dybere imaging dybde5,6,7,8, 9. I PAI, er en kort laser puls anvendes til væv bestråling. Lyset bliver absorberet af det væv, hvilket fører til en lille temperaturstigning. Som følge af termoelastisk ekspansion genereres trykbølger (i form af akustiske bølger) i vævet. De genererede akustiske bølger (også kendt som photoacoustic (PA) bølger) er erhvervet med en wideband ultralyd transducer (UST) uden det væv. Disse erhvervede PA signaler kan bruges til at rekonstruere PA billeder, afsløre den strukturelle og funktionelle oplysninger inde i vævet. PAI har en bred vifte af applikationer, herunder: blodkar imaging, sentinel lymfeknude imaging, hjernen Vaskulaturen imaging, tumor imaging, molekylær billeddannelse, etc.10,11,12, 13,14,15 PAI har talrige anvendelsesmuligheder på grund af dens fordele, nemlig: dybere indtrængningsdybde, gode rumlige opløsning og høj bløddele kontrast. Kontrasten i PAI kan være endogene fra blod, melanin, osv. Når endogene kontrasten ikke er stærk nok, som eksogene kontrastmidler organiske farvestoffer, nanopartikler, quantum dots, etc.16,17,18,19, 20 , 21 kan bruges til at forbedre kontrasten.
Selvom PAI har mange fordele i forhold til andre billeddiagnostiske teknikker, er kliniske oversættelse stadig en meget stor udfordring. De vigtigste begrænsninger er voluminøse arten af lasere anvendes, de fleste af USTs anvendt til dataopsamling er ikke kompatibel med kliniske amerikanske systemer, og den manglende tilgængelighed af kommercielt tilgængelige kliniske US Billeddannende systemer som giver adgang til rå kanal data. Først for nylig blevet kommercielle kliniske US maskiner med adgang til rå data tilgængelige22. I dette arbejde, vi sigter mod at påvise gennemførligheden af PAI med en håndholdt set-up ved hjælp af en klinisk amerikanske platform. Vi har til formål at demonstrere dette ved at vise ikke-invasive billeddannelse af sentinel lymfeknuder (SLNs) i et lille dyr model.
Invasiv brystkræft er en af de førende årsager til kræftdødsfald blandt kvinder. Diagnosticering og iscenesættelse brystkræft tidligt er afgørende for beslutningen behandling strategier, som spiller en vigtig rolle i prognosen for patienten. For breast anvendes cancer midlertidige sentinel lymfeknude biopsier (SLNB) er normalt23,24. SLN er den primære lymfeknude, hvor muligheden for at finde kræftceller er det højeste på grund af metastaser. SLNBs indebærer injektion af et farvestof eller et radioaktivt sporstof, efterfulgt at skære åbne område med et lille snit, og derefter finde SLN visuelt i tilfælde af farvestoffer eller ved hjælp af en geigertæller, i tilfælde af et radioaktivt sporstof. Efter identifikation fjernet et par SLN for histopatologiske undersøgelser24,25. Positiv SLNB angiver, at tumoren har spredt sig til nærliggende lymfeknuder og måske til andre organer. Negative SLNB viser, at sandsynligheden for metastaser er ubetydelig26. SLNB har mange komplikationer forbundet med det som arm følelsesløshed, lymphedema, etc.27 til at eliminere SLNB forbundet komplikationer, en non-invasiv billeddiagnostik teknik er nødvendig.
For SLN kortlægning i små dyr og mennesker, er PA imaging blevet undersøgt grundigt ved hjælp af forskellige kontrast agenter15,28,29,30,31 , 32. dog de systemer, der anvendes i øjeblikket ikke kan bruges i et klinisk scenario som tidligere påpegede. En anden bekymring behandles er den kirurgiske procedure involveret i SLNB28. Tilpasning af minimalt invasive procedurer for fin nål aspiration biopsi (FNAB) var nødvendig for at reducere restitutionstid og bivirkninger af patienterne. I dette arbejde, en klinisk amerikanske system var blevet benyttet til kombineret USA og PA imaging blev brugt. For brugervenlighed i klinisk setup, en brugerdefineret gjort håndholdte holder til boliger optisk fiber og UST blev designet. Methylenblåt (MB) blev brugt til at identificere og tilknytning SLNs. Derudover for at fjerne komplikationer forbundet med SLNB kirurgi, non-invasiv real-time nål tracking fremgår også.
Protocol
Representative Results
Discussion
I øjeblikket er omkostningerne ved screening, diagnosticering og behandling af kræft meget høj. Der er forskellige imaging modaliteter, som bliver brugt til brystkræftscreening og diagnose. Dog, en masse af disse Billeddannende teknikker har begrænsninger herunder pladskrævende maskine størrelse, invasiv diagnose, uvenskab til patienter, for dyrt, krav af ioniserende stråling, eller brug af radioaktive kontrastmidler. Derfor, en effektiv, omkostningseffektiv, real-time imaging og vejlede system er meget nødvendi…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende den finansielle støtte fra Tier 1 forskning tilskud finansieret af Undervisningsministeriet i Singapore (RG48/16: M4011617) og Tier 2 forskning tilskud finansieret af Undervisningsministeriet i Singapore (ARC2/15: M4020238). Forfatterne vil gerne anerkende Dr. Rhonnie Østrig Dienzo for hans hjælp med dyr håndtering.
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 |
References
- 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).
