Hand-held klinische Photoacoustic Imaging systeem voor Real-time niet-invasieve kleine dierlijke Imaging
Summary
Een klinische handheld photoacoustic imaging systeem zullen worden gedemonstreerd voor real-time niet-invasieve kleine dierlijke imaging.
Abstract
Vertaling van photoacoustic imaging in de kliniek is een grote uitdaging. Handheld real-time klinische photoacoustic imaging systemen zijn zeer zeldzaam. Wij rapporteren hier een gecombineerde photoacoustic en klinische echografie imaging systeem door de integratie van een ultrasone sonde met lichte levering voor kleine dieren imaging. We laten dit zien door tonen sentinel lymfeklier beeldvorming bij kleine dieren samen met minimaal invasieve real-time naald begeleiding. Een platform van de klinische echografie met toegang tot gegevens ruw kanaal maakt de integratie van photoacoustic imaging leidt tot een handheld real-time klinische photoacoustic imaging systeem. Methyleenblauw werd gebruikt voor sentinel lymfeklier beeldvorming bij 675 nm golflengte. Bovendien werd de naald begeleiding met dubbele modale echografie en photoacoustic imaging getoond met behulp van het imaging systeem. Diepte beeldvorming van maximaal 1,5 cm werd aangetoond met een laser 10 Hz bij een photoacoustic imaging beeldsnelheid van 5 beelden per seconde.
Introduction
Voor de detectie en de enscenering van kanker, verschillende beeldvormende technieken beschikbaar zijn. Sommige van de meest gebruikte beeldvormende modaliteiten zijn magnetische resonantie beeldvorming (MRI), X-Ray berekend tomografie (CT), X-Ray, ultrasound (VS), positron emissie tomografie (PET), fluorescentie imaging, etc.1,2, 3 , 4. maar dat, enkele van de bestaande imaging technieken invasieve, schadelijke straling, of zijn traag, duur, omvangrijk of onvriendelijk aan patiënten. Er is dus een constante behoefte om nieuwe te ontwikkelen, snelle en kosteneffectieve beeldvormingstechnieken voor diagnostiek en therapie5.
Photoacoustic (PAI) imaging is een opkomende imaging techniek, die optische contrastrijke met hoge ultrasone hoge resolutie op een diepere imaging diepte5,6,7,8combineert, 9. In PAI, wordt een korte laser impuls gebruikt voor weefsel bestraling. Het licht wordt geabsorbeerd door het weefsel die tot een kleine temperatuurstijging leidt. Als gevolg van de uitbreiding van de thermoelastic, worden drukgolven (in de vorm van akoestische golven) gegenereerd binnen het weefsel. De gegenereerde akoestische golven (ook bekend als photoacoustic (PA) golven) worden verworven met een wideband echografie transducer (UST) buiten de grenzen van het weefsel. Deze verworven PA-signalen kunnen worden gebruikt om te reconstrueren PA beelden, onthullen de structurele en functionele informatie binnen het weefsel. PAI heeft een breed scala van toepassingen, waaronder: bloedvat imaging sentinel lymfeklier beeldvorming hersenen therapieën imaging, beeldvorming van de tumor, moleculaire beeldvorming, etc.10,11,12, 13,14,15 PAI heeft talrijke toepassingen vanwege zijn voordelen, namelijk: diepere indringingsdiepte, goede ruimtelijke resolutie en hoge weke contrast. Het contrast in PAI kunnen endogene melanine, bloed, enz. Wanneer de endogene contrast niet sterk genoeg is, zoals exogene contrastmiddelen organische kleurstoffen, nanodeeltjes, quantumdots, etc.16,17,18,19, 20 , 21 kan worden gebruikt voor het verbeteren van het contrast.
Hoewel PAI tal van voordelen ten opzichte van andere beeldvormingstechnieken heeft, is klinische vertaling nog steeds een zeer grote uitdaging. De voornaamste beperkingen zijn het omvangrijke karakter van de lasers worden gebruikt, het merendeel van de USTs gebruikt voor data-acquisitie zijn niet compatibel met klinische Amerikaanse systemen, en de niet-beschikbaarheid van commercieel beschikbare klinische VS imaging systemen die toegang tot ruwe kanaal verschaffen gegevens. Pas onlangs, zijn commerciële klinische VS machines met toegang tot ruwe gegevens beschikbaar22geworden. In dit werk willen we de haalbaarheid van PAI aantonen met een handheld set-up met behulp van een klinische Amerikaanse platform. Wij streven ernaar om aan te tonen dat door aan te tonen van niet-invasieve beeldvorming van sentinel lymfklieren (SLNs) in een kleine diermodel.
Invasieve borstkanker tumoren zijn een van de belangrijkste doodsoorzaken kanker onder vrouwen. Diagnose en enscenering van kanker van de borst vroeg is essentieel voor het bepalen van de behandelingsstrategieën, die een belangrijke rol in de prognose voor de patiënt spelen. Voor borst kanker tijdelijke sentinel lymfeklier biopten (SLNB) meestal zijn gebruikt23,24. SLN is de primaire lymfeklier waar de mogelijkheid van het vinden van kankercellen de hoogste als gevolg van metastase. SLNBs betrekken via injectie een kleurstof of een radioactieve tracer, gevolgd door het gebied met een kleine incisie open snijden, en dan vinden de SLN visueel in het geval van kleurstoffen of met de hulp van een geigerteller, in het geval van een radioactieve tracer. Na identificatie, een paar SLN verwijderd voor histopathologisch onderzoek24,25. Positieve SLNB geeft aan dat de tumor is uitgezaaid naar nabijgelegen lymfeklieren en misschien naar andere organen. Negatieve SLNB geeft aan dat de kans op uitzaaiingen te verwaarlozen26. SLNB heeft talrijke complicaties gekoppeld zoals gevoelloosheid van de arm, lymfoedeem, etc.27 te elimineren van de SLNB bijbehorende complicaties, een niet-invasieve beeldvormende techniek nodig is.
Voor de toewijzing van de SLN aan kleine dieren en mensen, is PA imaging onderzocht uitgebreid met de hulp van verschillende contrast agenten15,28,29,30,31 , 32. echter, de systemen die momenteel worden gebruikt in een klinische scenario kunnen niet worden gebruikt zoals eerder opgemerkt. Een andere zorg worden aangepakt is de chirurgische procedure die betrokken zijn bij SLNB28. Aanpassing van minimaal invasieve procedures voor fijne naald aspiratie biopsie was (FNAB) nodig om de hersteltijd en de bijwerkingen van de patiënten te verminderen. In dit werk, een klinische Amerikaanse systeem werd gebruikt voor de gecombineerde VS en PA imaging werd gebruikt. Voor het gemak van gebruik in de klinische setup, een op maat gemaakte handheld houder voor huisvesting optische vezel en UST werd ontworpen. Methyleenblauw (MB) werd gebruikt voor de identificatie en toewijzing SLNs. Daarnaast te elimineren van de complicaties die zijn gekoppeld aan de chirurgie van de SLNB, niet-invasieve real-time naald bijhouden wordt ook aangetoond.
Protocol
Representative Results
Discussion
Momenteel is de kosten van de screening, diagnose en behandeling van kanker zeer hoog. Er zijn verschillende modaliteiten die worden gebruikt voor de screening op kanker en de diagnose imaging. Veel van deze beeldvormende technieken hebben echter beperkingen waaronder omvangrijk machine grootte invasieve diagnose, unfriendliness aan patiënten, te duur, vereiste van ioniserende straling, of het gebruik van radioactieve contrastmiddelen. Een efficiënte, kosteneffectieve en real-time beeldvorming en richtsysteem is daarom…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs wil erkennen de financiële steun van de onderzoeksbeurs van de Tier 1 gefinancierd door het ministerie van onderwijs in Singapore (RG48/16: M4011617) en fase 2 onderzoeksbeurs gefinancierd door het ministerie van onderwijs in Singapore (ARC2/15: M4020238). De auteurs wil erkennen van Dr. Rhonnie Oostenrijk Dienzo voor zijn hulp met dieren omgaan.
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 |
Referências
- 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).
