Hand-Held klinische photoakustische Imaging-System für Echtzeit-nicht-invasive kleine Tier Imaging
Summary
Eine klinische handheld photoakustische imaging-System wird für die Echtzeit-nicht-invasive kleine Tier Bildgebung nachgewiesen werden.
Abstract
Übersetzung der photoakustische Bildgebung in der Klinik ist eine große Herausforderung. Handheld-Echtzeit-klinische photoakustische bildgebende Systeme sind sehr selten. Hier berichten wir eine kombinierte photoakustische und klinische Ultraschall-imaging-System durch die Integration einer Ultraschallsonde mit Lichtleitung für das kleine Tier Imaging. Wir zeigen dies durch zeigt Sentinel Lymphknoten Bildgebung bei Kleintieren zusammen mit minimal-invasiven Echtzeit Nadelführung. Eine klinische Ultraschall-Plattform mit Zugriff auf raw-Kanal ermöglicht die Integration von photoakustische Bildgebung zu einem handheld in Echtzeit klinische photoakustische imaging-System. Methylenblau wurde für Sentinel Lymphknoten Bildgebung bei 675 nm Wellenlänge verwendet. Darüber hinaus war Nadelführung mit dual modal Ultraschall und photoakustische Bildgebung mit dem abbildenden System angezeigt. Tiefe Bildgebung von bis zu 1,5 cm zeigte sich mit einem 10 Hz-Laser auf eine photoakustische Bildgebung Framerate von 5 Frames pro Sekunde.
Introduction
Für die Detektion und Staging von Krebs, verschiedene bildgebende Verfahren zur Verfügung. Einige der weit verbreiteten bildgebenden Verfahren sind Magnetresonanz-Tomographie (MRT), Röntgen Computertomographie (CT), Röntgen, Ultraschall (US), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Fluoreszenz-imaging, etc.1,2, 3 , 4., aber einige der vorhandenen bildgebenden Techniken sind entweder invasive, schädlichen Strahlung, oder sind langsam, teuer, sperrig oder unfreundlich zu den Patienten. So gibt es ein ständiger Bedarf zur Entwicklung neuer, schneller und kostengünstiger bildgebender Verfahren für Diagnostik und Therapie5.
Photoakustische Bildgebung (PAI) ist ein aufstrebenden bildgebendes Verfahren, das optische kontrastreich mit hochauflösenden Ultraschall in einem tieferen bildgebenden Tiefe5,6,7,8kombiniert, 9. In PAI dient ein kurzen Laserpuls Gewebe Bestrahlung. Das Licht wird durch das Gewebe absorbiert, führt zu einem kleinen Temperaturanstieg. Durch die thermoelastische Expansion werden Druckwellen (in Form von Schallwellen) im Gewebe erzeugt. Die erzeugten akustischen Wellen (auch bekannt als photoakustische (PA)) sind mit einem Wideband-Ultraschall-Wandler erworben (UST) außerhalb der Grenzen des Gewebes. Diese erworbenen PA-Signale können verwendet werden, um PA-Bilder, die strukturelle und funktionelle Informationen innerhalb des Gewebes zu rekonstruieren. PAI hat eine breite Palette von Anwendungen, einschließlich: Blutgefäß Bildgebung, Sentinel Lymphknoten Bildgebung, Bildgebung des Gehirns Gefäßsystem, Tumor-Bildgebung, molekulare Bildgebung, etc.10,11,12, 13,14,15 PAI hat zahlreiche Anwendungen aufgrund ihrer Vorteile, nämlich: tiefer Eindringtiefe, gute räumliche Auflösung und hohe Weichgewebe Kontrast. Der Kontrast in PAI kann endogene aus Blut, Melanin, etc.sein. Wenn der endogene Kontrast nicht stark genug ist, wie exogene Kontrastmittel organischen Farbstoffen, Nanopartikel, Quantenpunkte, etc.16,17,18,19, 20 , 21 kann verwendet werden, zur Verbesserung des Kontrasts.
Obwohl PAI zahlreiche Vorteile im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren hat, ist klinische Übersetzung immer noch eine sehr große Herausforderung. Die wichtigsten Einschränkungen sind die sperrigen Natur der Laser verwendet wird, die meisten der USTs verwendet für die Datenerfassung sind nicht kompatibel mit klinischen US-Systeme und die Nichtverfügbarkeit von kommerziell verfügbaren klinischen US bildgebenden Systemen auf rohe Kanal zugreifen Daten. Erst in jüngster Zeit sind kommerzielle klinische US-Maschinen mit Zugriff auf Rohdaten zur Verfügung22geworden. In dieser Arbeit wollen wir die Machbarkeit der PAI mit einem handheld Set-up mit einem klinischen US-Plattform zu zeigen. Wir wollen dies demonstriert der nichtinvasiven Bildgebung des Sentinel Lymphknoten (SLNs) in einem kleinen Tiermodell.
Invasiven Brusttumoren sind eine der führenden Ursachen für Krebstod bei Frauen. Diagnose und staging Brustkrebs früh ist von entscheidender Bedeutung für die Entscheidung, Behandlungsstrategien, die die Prognose des Patienten eine wichtige Rolle spielen. Für eine Brustvergrößerung verwendet Krebs staging Sentinel-Lymphknoten-Biopsie (SLNB) in der Regel sind23,24. SLN ist der primären Lymphknoten, wo ist die Möglichkeit des Findens Krebszellen die höchste aufgrund von Metastasen. SLNBs beinhalten Einspritzen eines Farbstoffs oder ein radioaktiver Tracer, gefolgt von schneiden den Bereich mit einem kleinen Schnitt geöffnet und dann suchen die SLN visuell im Falle von Farbstoffen oder mit Hilfe von einem Geigerzähler, im Falle eines radioaktiven Tracers. Nach der Identifizierung werden ein paar SLN für histopathologische Studien24,25entfernt. Positive SLNB zeigt, dass der Tumor in der Nähe Lymphknoten und vielleicht auch auf andere Organe metastasiert hat. Negativen SLNB zeigt, dass die Wahrscheinlichkeit von Metastasen vernachlässigbar26. SLNB hat zahlreiche Komplikationen im Zusammenhang mit ihm wie Arm Taubheit, Lymphödem, etc.27 , SLNB verbundenen Komplikationen zu beseitigen, ein nicht invasives bildgebendes Verfahren erforderlich ist.
Für SLN-Mapping bei kleinen Tieren und Menschen ist PA Bildgebung mit Hilfe von verschiedenen Kontrast Agenten15,28,29,30,31 ausgiebig erforscht worden , 32. jedoch die derzeit eingesetzten Systeme können nicht in einem klinischen Szenario verwendet werden, wie oben ausgeführt. Ein weiteres Anliegen angesprochen werden ist der chirurgische Eingriff SLNB28beteiligt. Anpassung der minimal-invasiven Eingriffen für feine Nadelbiopsie Aspiration (Feinnadelaspirationsbiopsie) musste die Recovery-Zeit und die Nebenwirkungen der Patienten zu reduzieren. In dieser Arbeit wurde ein klinische US-System verwendet für kombinierte USA und PA Bildgebung verwendet wurde. Zur einfacheren Verwendung in klinischen Einrichtung, eine maßgeschneiderte Handheld-Halterung für Gehäuse Glasfaser und UST konzipiert wurde. Methylenblau (MB) wurde für die Identifizierung und Kartierung SLNs. Darüber hinaus verwendet, um Komplikationen im Zusammenhang mit der SLNB-Operation zu beseitigen, nicht-invasive Echtzeit-Nadel tracking ist auch gezeigt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Kosten für Screening, Diagnose und Behandlung von Krebs ist derzeit sehr hoch. Es gibt verschiedene bildgebende Modalitäten die Früherkennung und Diagnose eingesetzt werden. Ein Großteil dieser bildgebenden Verfahren haben jedoch Beschränkungen einschließlich sperrige Maschinengröße, invasive Diagnostik, Unfreundlichkeit, Patienten, zu teuer, Anforderung von ionisierender Strahlung oder Einsatz von radioaktivem Kontrastmittel. Daher ist eine effiziente, kostengünstige, Echtzeit-Bildgebung und Leitsystem viel…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten die finanzielle Unterstützung durch das Tier-1-Forschungsstipendium, gefördert durch das Ministerium für Bildung in Singapur zu erkennen (RG48/16: M4011617) und Tier-2-Forschungsstipendium finanziert vom Bildungsministerium in Singapur (ARC2/15: M4020238). Die Autoren möchten Dr. Rhonnie Österreich Dienzo für seine Hilfe mit Umgang mit Tier zu erkennen.
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 |
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