المتعدد الوسائط التصوير ومنهاج Microendoscopy الطيفي الألياف الرزمة لغير الغازية،<em> في فيفو</em> تحليل الأنسجة
Summary
The assembly and use of a multimodal microendoscope is described which can co-register superficial tissue image data with tissue physiological parameters including hemoglobin concentration, melanin concentration, and oxygen saturation. This technique can be useful for evaluating tissue structure and perfusion, and can be optimized for individual needs of the investigator.
Abstract
تمكن تقنيات microendoscopy الألياف حزمة الأخيرة تحليل غير الغازية من الأنسجة في الجسم الحي باستخدام تقنيات التصوير أو مزيج من تقنيات التحليل الطيفي. الجمع بين تقنيات التصوير والتحليل الطيفي إلى التحقيق بصري واحد قد تقدم تحليلا أكثر اكتمالا من صحة الأنسجة. في هذه المقالة، يتم الجمع بين اثنين من طرائق متباينة، والتصوير عالية الدقة مضان microendoscopy ومنتشر الطيفي الانعكاس، إلى التحقيق بصري واحد. عالية الدقة مضان microendoscopy التصوير هو أسلوب يستخدم لتصور الأنسجة القمية العمارة الصغرى، وعلى الرغم من أن معظمهم تقنية النوعية، وقد أثبتت التمايز في الوقت الحقيقي الفعال بين الأنسجة الورمية وغير الورمية. منتشر الانعكاس الطيفي هو الأسلوب الذي يمكن استخراج المعلمات الفسيولوجية الأنسجة بما في ذلك تركيز المحلية الهيموغلوبين، وتركيز الميلانين، وتشبع الأكسجين. توضح هذه المقالة مواصفات صequired لبناء مسبار الألياف البصرية، وكيفية بناء الأجهزة، ومن ثم يظهر أسلوب في الجسم الحي في جلد الإنسان. وكشف هذا العمل أن الأنسجة المعمارية الصغيرة، الكيراتينية الجلد قمي على وجه التحديد، يمكن أن يشترك المسجلة مع المعلمات الفسيولوجية المرتبطة بها. التحقيق الأجهزة والألياف حزمة المقدمة هنا يمكن أن يكون الأمثل إما جهاز محمول باليد أو بالتنظير متوافق للاستخدام في مجموعة متنوعة من أجهزة الجسم. هناك حاجة إلى بحوث سريرية إضافية لاختبار جدوى هذه التقنية لمختلف الحالات المرضية الظهارية.
Introduction
تقنيات حزمة ليفية microendoscopy تحليل عادة في الأنسجة الحية باستخدام تقنيات التصوير أو مزيج من تقنيات التحليل الطيفي. 1-3 أسلوب واحد التصوير هذه، وارتفاع القرار مضان microendoscopy، يمكن أن الصورة الأنسجة القمية المعمارية المصغرة لقرار الفرعية الخلوية في صغيرة ، مجال للرأي الميكروسكيل، وذلك باستخدام عامل تباين موضعي مثل بروفلافين، فلوريسئين، أو الحبر pyranine. 1،3-11 وقد أظهرت هذه الطريقة التصوير واعدة الأداء السريري في التفريق بين نوعي الأنسجة الطلائية المريضة وصحية في الوقت الحقيقي مع انخفاض بين المراقب تقلب 8 أحيانا، فإن المحققين استخدام البيانات مضان المجهر عالية الدقة لاستخراج الخصائص الكمية مثل الخلية وحجم النووي أو منطقة الغدة، ولكن هذا لا يزال تقنية نوعية في المقام الأول تستهدف تصور مورفولوجيا الأنسجة. 1،3،8- 10 من ناحية أخرى، وتقنيات التحليل الطيفي، مثلكما الطيفي الانعكاس منتشر، والتي تستهدف توفير المعلومات الأنسجة وظيفية واعدة أظهرت الأداء السريري في تحديد الكمية الآفات السرطانية في أعضاء متعددة. 2،12-15
لذلك، هناك حاجة لجهاز يدمج كلا النوعين من الطرائق التي يحتمل مزيد من خفض التباين بين المراقب، والحفاظ على التصور في الوقت الحقيقي من الأنسجة الهندسة الدقيقة، وتقديم تحليل أكثر اكتمالا من صحة الأنسجة. لتحقيق هذا الهدف، تم بناء أداة تستند مسبار المتعدد الوسائط الذي يجمع بين اثنين من أساليب في التحقيق من الألياف البصرية واحد: عالية الدقة microendoscopy مضان ودون منتشر الطيفي الانعكاس 11 هذا الأسلوب شارك في سجلات النوعية صور عالية الدقة من قمية مورفولوجيا الأنسجة (الخصائص الهيكلية) مع المعلومات الكمية الطيفية (خصائص وظيفية) من اثنين من أعماق الأنسجة متميزة بما في ذلك تركيز الهيموغلوبين المحلي ([هب])، وتركيز الميلانين ([ميل])، وتشبع الأكسجين (ساو 2). 11،12،16 تستخدم هذه الطريقة محددة الانعكاس الطيفي شبه منتشر اثنين من فصل المصدر للكشف عن (SDSS) لعينة اثنين من أعماق الأنسجة فريدة من نوعها لتوفير صورة أشمل للصحة الأنسجة عن طريق أخذ عينات وصولا الى الغشاء القاعدي وسدى النسيج الأساسي. 11
يتكون مسبار الألياف من الألياف المركزي صورة 1 مم القطر مع ما يقرب من 50،000 4.5 ميكرون عناصر الألياف قطر، قطر الكسوة من 1.1 ملم وقطرها طلاء الإجمالي 1.2 مم. وتحيط الألياف الصورة عن طريق خمسة 200 ميكرون الألياف قطر بأقطار الكسوة من 220 ميكرون. يقع كل الألياف 200 ميكرون المتعدد مسافة مركز إلى مركز من 864 ميكرون بعيدا عن مركز من الألياف الصورة. كل واحد من 200 ميكرون الألياف المتعدد هي 25 درجة على حدة. باستخدام أقصى 200 ميكرون الألياف متعددة مثل الألياف "مصدر"، وعشر إضافيري 200 ميكرون الألياف المتعدد والألياف "جمع"، هذه الهندسة بالضرورة يخلق ثلاثة مركز إلى مركز SDSS من 374 ميكرون، 730 ميكرون، 1051 ميكرون، و1،323 ميكرون. أرفقت نصائح الألياف في غلاف معدني اسطواني التي تحافظ على المسافات بين الألياف ثابت. قطر غلاف معدني أسطواني هو 3 مم. نهاية البعيدة (نحو التحقيق غيض من الألياف البصرية) لجنة التحقيق الألياف الضوئية هو 2 أقدام طويلة. ثم يفصل التحقيق في ستة الألياف الفردية منها في نهاية القريبة (نحو الأجهزة) وهو إضافية 2 أقدام طويلة، ليصل مجموع أطوالها إلى 4 أقدام. ويبين الشكل 1 تمثيل لجنة التحقيق من الألياف البصرية.
الشكل 1: الألياف البصرية تصميم التحقيق ويتكون المسبار من الألياف البصرية واحد من الألياف صورة 1 ملم وقطرها أربعة 200 ميكرون الألياف المتعدد. هذايظهر الرقم تمثيل (أ) نهاية سقف المعدني الذي يحد من هندسة الألياف في تلميح التحقيق لانتاج SDSS من 374، 730، و1،051 ميكرون فيما يتعلق أقصى 200 الألياف ميكرون المتعدد (مقياس شريط ≈ 1 مم)، (ب) والألياف التي مقيدة داخل غطاء معدني، والتي تبين النوى الألياف، الكسوة الألياف، وطلاء الألياف (مقياس شريط ≈ 1 مم)، (ج) ومادة البولي أميد تغليف الحماية حول الألياف (مقياس شريط ≈ 1 مم)، (د ) الطرف البعيد الانتهاء من التحقيق، مع قبضة الإصبع المعادن وكابل أسود واحد يحتوي على جميع الألياف (مقياس شريط ≈ 4 مم)، و (ه) صورة من الطرف البعيد لجنة التحقيق (مقياس شريط ≈ 4 مم). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
هذه الأجهزة المتعدد الوسائط وTECHNI المرتبطةكيو هو مزيج الأول من هذه الطرائق في تحقيق واحد، على الرغم من التقنيات الأخرى مجتمعة الهيكلية / وظيفية موجودة التي تجمع بين طرائق مختلفة. على سبيل المثال، والتصوير الطيفية يجمع بين التصوير واسعة المجال مع الهيموجلوبين والميلانين الخصائص الكمية، 17،18 وغيرها من التقنيات تم تطويرها التي تجمع بين التصوير المقطعي التماسك البصري (أكتوبر) مع تحليل بروتين تعبير الأنسجة، 19 على سبيل المثال لا الحصر. هذه التقارير المادة على إعداد الأجهزة المدمجة وسهلة لتنفيذ يستخدم مسبار الألياف الضوئية العام الذي يمكن أن يكون الأمثل لأغراض مختلفة بما في ذلك استخدام المنظار في الجهاز الهضمي السفلي والمريء أو التحقيق المحمولة للاستخدام في تجويف الفم والخارجيين وضع الجلد. 11،20
الأجهزة لهذه الأجهزة يتطلب على حد سواء الحصول على البيانات حسب الطلب ورمز مرحلة ما بعد المعالجة للحصول على منتشر الأطياف الانعكاس ومن ثم استخراج نظام القبول الناتجةالمعلمات الأنسجة متوسط ه الفسيولوجية بما في ذلك [هب]، [ميل]، وساو 2. بنيت رمز الحصول على البيانات المخصصة للسماح للشراء في وقت واحد من كاميرا (عالية الدقة مضان المجهر) ومطياف (لالطيفي الانعكاس منتشر). السائقون المتاحة من المواقع الصانعين للسماح للتكامل مع مجموعة متنوعة من لغات البرمجة في كثير من الأحيان. رمز مخصص مرحلة ما بعد المعالجة تستورد القيم امتصاص المسبقة في الجسم الحي [هب] و [ميل] 21 ثم يستخدم التحسين غير الخطية عملية تركيب وضعت في وقت سابق ان يخلق منحنى المجهزة من الأطياف. تم بناء 22 ومنحنى المجهزة عن طريق التقليل من χ 2 قيمة بينه وبين أطياف الخام وتحديد المعايير الفسيولوجية الأنسجة ([هب]، [ميل]، وساو 2) من منحنى المجهزة وبأقل χ 2 قيمة 22 الرمز يمكن تعديلها لتشملالامتصاص من حاملات أخرى أيضا، مثل الحبر pyranine خارجي المستخدمة هنا، حتى أن الهدف المعلمات الفسيولوجية تتأثر.
المؤشرات الفسيولوجية للصحة الأنسجة، مثل [هب]، [ميل]، وساو 2، ويمكن استخدام تقارير استجابة الورم للعلاج أو مؤشرات الأوعية الدموية المحلي والأوعية الدموية. 14،23 بما في ذلك دقة عالية ومضان microendoscopy طريقة يساعد دليل التحقيق التنسيب ويقدم المحققون مع صورة أكثر اكتمالا للعلاقة بين بنية الأنسجة الظهارية وظيفة. في هذه المقالة، وبناء وتطبيق microendoscope المتعدد الوسائط يوصف. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
والمتعدد الوسائط عالية الدقة التصوير ودون منتشر الانعكاس الطيفي microendoscope-حزمة ليفية ذكرت هنا يمكن أن يكون الأمثل واستخدامها من قبل المحققين لمجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك بالمنظار أو استخدام يده للدراسات الإنسان أو الحيوان. وبالتالي فإنه يوفر طريقة مرنة …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This material is based on work supported by the National Institutes of Health (1R03-CA182052, 1R15-CA202662), the National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program (G.G., DGE-1450079), the Arkansas Biosciences Institute, and the University of Arkansas Doctoral Academy Fellowship. Any opinions, findings, and conclusions or recommendations expressed in this material are those of the authors and do not necessarily reflect the views of the acknowledged funding agencies.
Materials
| 30 mm Cage Cube with Dichroic Filter Mount | Thorlabs, Inc. | CM1-DCH | |
| 470 nm Dichroic Mirror (Beam Splitter) | Chroma Corporation | T470lpxr | |
| Cage Assembly Rod, 1.5", 4-Pack | Thorlabs, Inc. | ER1.5-P4 | |
| Cage Assembly Rod, 3.0", 4-Pack | Thorlabs, Inc. | ER3-P4 | |
| Cage Assembly Rod, 2.0", 4-Pack | Thorlabs, Inc. | ER2-P4 | |
| SM1-Threaded 30 mm Cage Plate | Thorlabs, Inc. | CP02 | |
| SM1 Series Stress-Free Retaining Ring | Thorlabs, Inc. | SM1PRR | |
| SM1 Lens Tube, 1.00" Thread Depth | Thorlabs, Inc. | SM1L10 | |
| Right-Angle Kinematic Mirror Mount | Thorlabs, Inc. | KCB1 | |
| 1" UV Enhanced Aluminum Mirror | Thorlabs, Inc. | PF10-03-F01 | |
| Z-Axis Translation Mount | Thorlabs, Inc. | SM1Z | |
| 10X Olympus Plan Achromatic Objective | Thorlabs, Inc. | RMS10X | |
| XY Translating Lens Mount | Thorlabs, Inc. | CXY1 | |
| SMA Fiber Adapter Plate with SM1 Thread | Thorlabs, Inc. | SM1SMA | |
| SM1 Lens Tube, 0.50" Thread Depth | Thorlabs, Inc. | SM1L05 | |
| 440/40 Bandpass Filter (Excitation) | Chroma Corporation | ET440/40x | |
| 525/36 Bandpass Filter (Emission) | Chroma Corporation | ET525/36m | |
| Quick Set Epoxy | Loctite | 1395391 | |
| 455 nm LED Light Housing Kit – 3-Watt | LED Supply | ALK-LH-3W-KIT | |
| 1" Achromatic Doublet, f=50mm | Thorlabs, Inc. | AC254-050-A | |
| Flea 3 USB Monochrome Camera | Point Grey, Inc. | FL3-U3-32S2M-CS | |
| 0.5" Post Holder, L = 1.5" | Thorlabs, Inc. | PH1.5 | |
| 0.5" Optical Post, L = 4.0" | Thorlabs, Inc. | TR4 | |
| Mounting Base, 1" x 2.3" x 3/8" | Thorlabs, Inc. | BA1S | |
| Long Lifetime Tungsten-Halogen Light Source (Vis-NIR) | Ocean Optics | HL-2000-LL | |
| 20X Olympus Plan Objective | Edmund Optics, Inc. | PLN20X | |
| Custom-Built Aluminum Motor Arm | N/A | N/A | Custom designed and built |
| Custom-Built Aluminum Motor Arm Adaptor | N/A | N/A | Custom designed and built |
| Custom-Built Aluminum Motor Housing | N/A | N/A | Custom designed and built |
| Stepper Motor – 400 steps/revolution | SparkFun Electronics | ROB-10846 | Multiple suppliers |
| Custom-Built Aluminum Optical Fiber Switch | N/A | N/A | Custom designed and built |
| Custom-Built Aluminum Optical Fiber Switch Face-Plate | N/A | N/A | Custom designed and built |
| Arduino Uno – R3 | SparkFun Electronics | DEV-11021 | Multiple suppliers |
| Electronic Breadboard – Self-Adhesive | SparkFun Electronics | PRT-12002 | Multiple suppliers |
| EasyDriver – Stepper Motor Driver | Sparkfun Electronics | ROB-12779 | |
| 12V, 229 mA Power Supply | Phihong | PSM03A | Multiple suppliers |
| Enhanced Sensitivity USB Spectrometer (Vis-NIR) | Ocean Optics | USB2000+VIS-NIR-ES | |
| 550 µm, 0.22 NA, SMA-SMA Fiber Patch Cable | Thorlabs, Inc. | M37L01 | |
| Custom-Built Fiber-Optic Probe | Myriad Fiber Imaging | N/A | |
| 20% Spectralon Diffuse Reflectance Standard | Labsphere, Inc. | SRS-20-010 | |
| Standard Yellow Highlighter | Sharpie | 25005 | Multiple suppliers, proflavine or fluorescein can be substituted |
References
- Muldoon, T. J., et al. Subcellular-resolution molecular imaging within living tissue by fiber microendoscopy. Opt Express. 15, 16413-16423 (2007).
- Rajaram, N., Reichenberg, J. S., Migden, M. R., Nguyen, T. H., Tunnell, J. W. Pilot clinical study for quantitative spectral diagnosis of non-melanoma skin cancer. Lasers Surg Med. 42, 716-727 (2010).
- Louie, J. S., Richards-Kortum, R., Anandasabapathy, S. Applications and advancements in the use of high-resolution microendoscopy for detection of gastrointestinal neoplasia. Clin Gastroenterol Hepatol. 12, 1789-1792 (2014).
- Chang, S. S., et al. High resolution microendoscopy for classification of colorectal polyps. Endoscopy. 45, 553-559 (2013).
- Muldoon, T. J., et al. Noninvasive imaging of oral neoplasia with a high-resolution fiber-optic microendoscope. Head Neck. 34, 305-312 (2011).
- Muldoon, T. J., et al. Evaluation of quantitative image analysis criteria for the high-resolution microendoscopic detection of neoplasia in Barrett’s esophagus. J Biomed Opt. 15, 026027 (2010).
- Prieto, S. P., Powless, A. J., Boice, J. W., Sharma, S. G., Muldoon, T. J. Proflavine Hemisulfate as a Fluorescent Contrast Agent for Point-of-Care Cytology. PLoS One. 10, e0125598 (2015).
- Parikh, N., et al. In vivo diagnostic accuracy of high resolution microendoscopy in differentiating neoplastic from non-neoplastic colorectal polyps: a prospective study. Am J Gastroenterol. 109, 68-75 (2014).
- Shin, D., et al. Quantitative analysis of high-resolution microendoscopic images for diagnosis of esophageal squamous cell carcinoma. Clin Gastroenterol Hepatol. 13, 272-279 (2015).
- Prieto, S. P., et al. Qualitative and quantitative comparison of colonic microendoscopy image features to histopathology. Proc SPIE Int Soc Opt Eng. 9328, (2015).
- Greening, G. J., et al. Fiber-bundle microendoscopy with sub-diffuse reflectance spectroscopy and intensity mapping for multimodal optical biopsy of stratified epithelium. Biomed Opt Express. 6, 4934-4950 (2015).
- Rajaram, N., Gopal, A., Zhang, X., Tunnell, J. W. Experimental validation of the effects of microvasculature pigment packaging on in vivo diffuse reflectance spectroscopy. Lasers Surg Med. 42, 680-688 (2010).
- Spliethoff, J. W., et al. Monitoring of tumor response to cisplatin using optical spectroscopy. Transl Oncol. 7, 230-239 (2014).
- Chang, V. T., et al. Quantitative physiology of the precancerous cervix in vivo through optical spectroscopy. Neoplasia. 11, 325-332 (2009).
- Yu, B., Shah, A., Nagarajan, V. K., Ferris, D. G. Diffuse reflectance spectroscopy of epithelial tissue with a smart fiber-optic probe. Biomed Opt Express. 5, 675-689 (2014).
- Hennessy, R., Goth, W., Sharma, M., Markey, M. K., Tunnell, J. W. Effect of probe geometry and optical properties on the sampling depth for diffuse reflectance spectroscopy. J Biomedical Opt. 19, 107002 (2014).
- Ghassemi, P., Travis, T. E., Moffatt, L. T., Shupp, J. W., Ramella-Roman, J. C. A polarized multispectral imaging system for quantitative assessment of hypertrophic scars. Biomed Opt Express. 5, 3337-3354 (2014).
- Vasefi, F., et al. Polarization-sensitive hyperspectral imaging in vivo: a multimode dermoscope for skin analysis. Sci Rep. 4, (2014).
- Winkler, A. M., Rice, P. F. S., Drezek, R. A., Barton, J. K. Quantitative tool for rapid disease mapping using optical coherence tomography images of azoxymethane-treated mouse colon. J Biomedl Opt. 15, 041512 (2010).
- Bish, S. F., et al. Handheld Diffuse Reflectance Spectral Imaging (DRSi) for in-vivo characterization of skin. Biomed Opt Express. 5, 573-586 (2014).
- Prahl, S. A. . Optical Absorption of Hemoglobin. , (1999).
- Rajaram, N., et al. Design and validation of a clinical instrument for spectral diagnosis of cutaneous malignancy. Appl Opt. 49, 142-152 (2010).
- Hennessy, R., Markey, M. K., Tunnell, J. W. Impact of one-layer assumption on diffuse reflectance spectroscopy of skin. J Biomed Opt. 20, 27001 (2015).
- Rajaram, N., Nguyen, T. H., Tunnell, J. W. Lookup table-based inverse model for determining optical properties of turbid media. J Biomed Opt. 13, 050501 (2008).
- Nichols, B. S., Rajaram, N., Tunnell, J. W. Performance of a lookup table-based approach for measuring tissue optical properties with diffuse optical spectroscopy. J Biomed Opt. 17, 057001 (2012).
- Greening, G. J., James, H. M., Muldoon, T. J. . Optical Phantoms: Diffuse and Sub-diffuse Imaging and Spectroscopy Validation. , 1-37 (2015).
- Karsten, A. E., Smit, J. E. Modeling and verification of melanin concentration on human skin type. Photochem Photobiol. 88, 469-474 (2012).
- Glennie, D. L., Hayward, J. E., Farrell, T. J. Modeling changes in the hemoglobin concentration of skin with total diffuse reflectance spectroscopy. J Biomed Opt. 20, 035002 (2015).
- Lim, L., Nichols, B., Rajaram, N., Tunnell, J. W. Probe pressure effects on human skin diffuse reflectance and fluorescence spectroscopy measurements. J Biomed Opt. 16, 011012 (2011).
