Multimodal Imaging og spektroskopi Fiber-bundle Microendoscopy platform for ikke-invasiv,<em> In vivo</em> Analyse Tissue
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
Nylige fiber-bundle microendoscopy teknikker gør det muligt ikke-invasiv analyse af in vivo væv ved hjælp af enten billeddannende teknikker eller en kombination af spektroskopiteknikker. Kombinere imaging og spektroskopi teknikker i en enkelt optisk sonde kan give en mere komplet analyse af væv sundhed. I denne artikel er to forskellige modaliteter kombineret, høj opløsning fluorescens microendoscopy billedbehandling og diffus reflektans spektroskopi, i en enkelt optisk sonde. Høj opløsning fluorescens microendoscopy billeddannelse er en teknik, der anvendes til at visualisere apikal væv mikroarkitektur, og selvom det meste en kvalitativ teknik, har vist effektiv tidstro differentiering mellem neoplastiske og ikke-neoplastiske væv. Diffus reflektans spektroskopi er en teknik, som kan udtrække væv fysiologiske parametre herunder lokal hæmoglobinkoncentration, melanin koncentration, og iltmætning. Denne artikel beskriver specifikationerne required at konstruere fiberoptisk probe, hvordan man opbygger den instrumentering, og derefter demonstrerer teknikken på in vivo menneskehud. Dette arbejde viste, at væv mikroarkitektur, specifikt apikale hudkeratinocyter, kan co-registreret med dens tilknyttede fysiologiske parametre. Instrumenter og fiber-bundle probe præsenteres her kan optimeres som enten en håndholdt eller endoskopisk-kompatibel enhed til brug i en række forskellige organsystemer. Der er behov for yderligere klinisk forskning for at afprøve holdbarheden af denne teknik til forskellige epitel sygdomstilstande.
Introduction
Fiber-bundle microendoscopy teknikker typisk analysere in vivo væv ved hjælp af enten billedbehandling teknikker eller en kombination af spektroskopi teknikker. 1-3 En sådan billeddannelse teknik, høj opløsning fluorescens microendoscopy, kan billede apikale tissue micro-arkitektur med sub-cellulær opløsning i en lille , mikroskala field-of-view, ved anvendelse af et topisk kontrastmiddel såsom proflavin, fluorescein, eller pyranin blæk. 1,3-11 Denne billeddannelsesmodalitet har vist lovende kliniske resultater i kvalitativt differentiere syge og raske epitelvæv i realtid med lav inter-observatør variation. 8. Lejlighedsvis, vil efterforskerne bruge høj opløsning fluorescens mikroskopi data til at udtrække kvantitative funktioner såsom celle og nuklear størrelse eller kirtel område, men det er fortsat et primært kvalitativ teknik rettet mod visualisering af væv morfologi. 1,3,8- 10 på den anden side, spektroskopiteknikker, såsomsom diffus reflektans spektroskopi, er rettet mod at give funktionel væv oplysninger og har vist lovende kliniske resultater i kvantitativt identificere kræft i flere organer. 2,12-15
Der er derfor et behov for en indretning, der inkorporerer begge typer af modaliteter til potentielt yderligere at reducere inter-observatør variation, vedligeholde tidstro visualisering af væv mikroarkitektur, og give en mere fuldstændig analyse af væv sundhed. For at opnå dette mål, blev en multimodal sonde-instrument konstrueret, der kombinerer to modaliteter i en enkelt fiberoptisk probe:. Høj opløsning fluorescens microendoscopy og sub-diffus reflektans spektroskopi 11 Denne metode co-registre kvalitative høj opløsning billeder af apikal vævsmorfologi (strukturelle egenskaber) med kvantitativ spektral information (funktionelle egenskaber) fra to forskellige væv dybder herunder lokal hæmoglobinkoncentration ([Hb]), melanin koncentration ([Mel]), og iltmætning (SAO 2). 11,12,16 Denne specifikke sub-diffus reflektans spektroskopi modalitet bruger to source-detektor adskillelser (sikkerhedsdatablade) at prøve to unikke væv dybder til at give et mere omfattende billede af væv sundhed ved prøvetagning ned til basalmembranen og underliggende væv stroma. 11
Fiberen-probe består af en central 1 mm diameter billedoverføringsfiberen med omkring 50.000 4.5 um diameter fiberelementer, en beklædning diameter på 1,1 mm og en samlet belægning diameter på 1,2 mm. Billedoverføringsfiberen er omgivet af fem 200 um diameter fibre med beklædning diameter på 220 um. Hver 200 um multimode fiber er placeret en center-til-center afstand på 864 um væk fra centrum af billedet fiber. Hver af de 200 um multimodale fibre er 25 ° fra hinanden. Brug af den yderste venstre 200 um multimode fiber som "kilde" fiber, og den yderligere three 200 um multimode fibre som "indsamling" fibre, denne geometri nødvendigvis skaber tre center-til-center SDS'er af 374 um, 730 um, 1051 um, og 1323 um. De fiber tip er omgivet af en cylindrisk metalhus, der holder afstandene mellem fibrene konstant. Diameteren af den cylindriske metalhus er 3 mm. Den distale ende (mod fiberoptiske sonde spids) af det fiberoptiske probe er 2 fod lang. Sonden derefter adskilles i de seks respektive individuelle fibre ved den proximale ende (mod instrumentering), som er yderligere 2 fod lang, for en samlet længde på 4 fod. Figur 1 viser en repræsentation af det fiberoptiske probe.
Figur 1:. Fiberoptiske probe design fiberoptisk probe består af en 1 mm-diameter billedoverføringsfiberen og fire 200 um multimode fibre. DenneFiguren viser gengivelser af (a) metallet endehætte som begrænser geometrien af fibrene ved enden af sonden til opnåelse SDS'er af 374, 730, og 1.051 um i forhold til den yderste venstre 200 um multimode fiber (Scale bar ≈ 1 mm), (b) fibrene være begrænset i metal cap, viser fiber kerner, fiberkappe, og fibercoatingen (Scale bar ≈ 1 mm), (c) den beskyttende polyamid beklædningen omkring fibre (Scale bar ≈ 1 mm), (d ) det færdige distale spids af sonden, med metallet fingergrebet og enkelt sort kabel, der indeholder alle fibre (Scale bar ≈ 4 mm), og (e) et billede af den distale spids af sonden (Scale bar ≈ 4 mm). klik her for at se en større version af dette tal.
Denne multimodal instrumentering og tilhørende technique er den første kombination af disse modaliteter inden for en enkelt sonde, selv om andre kombinerede strukturelle / funktionelle teknikker findes der kombinerer forskellige modaliteter. For eksempel hyperspektral imaging kombinerer bred felt billeddannelse med kvantitative hæmoglobin og melanin egenskaber, 17,18 og andre teknikker er blevet udviklet, som kombinerer optisk kohærens tomografi (OCT) med analyse af væv protein-ekspression, 19 for at nævne et par stykker. Denne artikel rapporter om en kompakt og let at gennemføre instrumentering setup, der bruger en generel fiberoptisk probe, som kan optimeres til forskellige formål, herunder endoskopisk brug i den nedre mavetarmkanal og spiserøret eller som en håndholdt probe til anvendelse i mundhulen og ekstern placering hud. 11,20
Hardwaren for denne instrumentering kræver både brugerdefinerede datafangst og efterbehandling kode for at erhverve diffus reflektans spektre og derefter udtrække den resulterende volume-gennemsnit væv fysiologiske parametre, herunder [Hb], [Mel], og São 2. Købet brugerdefinerede data kode blev bygget til at tillade den samtidige erhvervelse fra et kamera (for høj opløsning fluorescensmikroskopi) og et spektrometer (for diffus reflektans spektroskopi). Chauffører er ofte tilgængelige fra fabrikanternes websteder for at muliggøre integration med en række forskellige programmeringssprog. Den brugerdefinerede efterbehandling kode importerer a priori absorptionsværdier af in vivo [Hb] og [Mel] 21 og udnytter derefter en tidligere udviklet lineær optimering montering proces, der skaber en monteret kurve af spektrene. 22 tilpassede kurve er bygget ved at minimere χ 2 værdi mellem sig selv og den rå spektre og bestemmelse af væv fysiologiske parametre ([Hb], [Mel], og SAO 2) fra den tilpassede kurve og med den laveste χ 2 værdien. 22 koden kan modificeres til at indbefatteabsorption fra andre chromophorer samt, såsom den exogene pyranin blæk, der bruges her, så mål fysiologiske parametre er upåvirkede.
Fysiologiske indikatorer væv sundhed, såsom [Hb], [Mel], og Sao 2, kan anvendes som rapporter om tumor respons på terapi eller som indikatorer for lokal vaskularisering og angiogenese. 14,23 Herunder en høj opløsning fluorescens microendoscopy modalitet hjælper guide sonde placering og giver efterforskerne med et mere komplet billede af forholdet mellem epitelvæv struktur og funktion. I denne artikel, konstruktion og anvendelse af den multimodale microendoscope beskrives. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Den multimodale høj opløsning billedbehandling og sub-diffus reflektans spektroskopi fiber-bundt microendoscope rapporteret her kan optimeres og anvendes af efterforskere til en lang række applikationer, herunder endoskopisk eller håndholdt brug for mennesker eller dyreforsøg. Det giver således en fleksibel metode til at visualisere in vivo apikal væv mikro-arkitektur sammen målinger af hæmoglobinkoncentrationen, melanin koncentration og væv iltmætning fra to forskellige væv dybder. Denne arti…
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).
