Multimodale beeldvorming en spectroscopie Fiber-bundel microendoscopy Platform voor niet-invasieve,<em> In Vivo</em> Tissue Analyse
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
Recente fiber-bundel microendoscopy technieken in non-invasieve analyse van in vivo weefsel met behulp van beeldvormende technieken of een combinatie van spectroscopie technieken. Het combineren imaging en spectroscopie-technieken in een enkel optische sonde kan een vollediger analyse gezondheidstoestand weefsel verschaffen. In dit artikel worden twee ongelijke modaliteiten gecombineerd, hoge-resolutie fluorescentie microendoscopy beeldvorming en diffuse reflectie spectroscopie, in een enkele optische sonde. Hoge-resolutie fluorescentie microendoscopy beeldvorming is een techniek om weefsel apicale micro-architectuur visualiseren en, hoewel veelal een kwalitatieve techniek is doeltreffend realtime onderscheid tussen neoplastische en niet-neoplastische weefsels aangetoond. Diffuse reflectie spectroscopie is een techniek die weefsel fysiologische parameters kan extraheren waaronder lokale hemoglobinegehalte, melanine concentratie en zuurstofsaturatie. Dit artikel beschrijft de specificaties rerplicht aan de glasvezel-sonde te bouwen, hoe de instrumenten te bouwen, en dan toont de techniek voor in vivo menselijke huid. Dit werk is gebleken dat het weefsel micro-architectuur, in het bijzonder apicale huid keratinocyten, kan mede worden geregistreerd bij de bijbehorende fysiologische parameters. De instrumenten en vezel-bundel probe gepresenteerde geoptimaliseerd worden ofwel een handheld of endoscopisch-compatibel apparaat voor gebruik in verschillende orgaansystemen. Aanvullend klinisch onderzoek is nodig om de haalbaarheid van deze techniek verschillende epitheliale ziektetoestanden testen.
Introduction
Fiber-bundel microendoscopy technieken doorgaans analyseren vivo weefsel met behulp van beeldvormende technieken of combinatie van technieken spectroscopie. 1-3 Een dergelijke beeldvormende techniek, hoge-resolutie fluorescentie microendoscopy, kan het weefsel apicale micro-architectuur met subcellulaire resolutie in een klein , microschaal field-of-view, onder toepassing van een topische contrastmiddel zoals proflavine, fluoresceïne of pyranine inkt. 1,3-11 Deze beeldvormingstechniek blijkt veelbelovende klinische prestaties in kwalitatief differentiëren zieke en gezonde epitheelweefsel in real-time met lage inter-observer variabiliteit. 8 Af en toe zal de onderzoekers fluorescentiemicroscopie data met een hoge resolutie te gebruiken om kwantitatieve functies zoals mobiele en nucleaire grootte of klier gebied halen, maar dit blijft vooral een kwalitatieve techniek gericht op het visualiseren van weefsel morfologie. 1,3,8- 10 anderzijds, spectroscopie technieken, zoalsals diffuse reflectie spectroscopie, zijn gericht op het verstrekken van functionele tissue informatie en hebben aangetoond veelbelovende klinische prestaties in kwantitatief vaststellen van kanker in meerdere organen. 2,12-15
Daarom is er een behoefte aan een inrichting waarin beide soorten modaliteiten verder kunnen verminderen inter-observer variabiliteit handhaven real-time visualisatie van weefsel micro-architectuur en een meer volledige analyse van gezondheid weefsel. Om dit doel te bereiken, werd een multimodaal probe-gebaseerde instrument gebouwd dat twee modaliteiten in één glasvezel-sonde combineert:. Hoge-resolutie fluorescentie microendoscopy en sub-diffuse reflectie spectroscopie 11 Deze methode co-registers kwalitatief hoge-resolutie afbeeldingen van apicale weefsel morfologie (structurele eigenschappen) met kwantitatieve spectrale informatie (functionele eigenschappen) uit twee afzonderlijke weefsel dieptes waaronder lokale hemoglobinegehalte ([Hb]), melanine concentratie ([Mel]), en zuurstofverzadiging (São 2). 11,12,16 Dit specifieke sub-diffuse reflectie spectroscopie modaliteit maakt gebruik van twee source-detector scheidingen (VIB's) aan twee unieke weefsel dieptes proeven te voorzien een meer volledig beeld van de gezondheid van het weefsel door middel van steekproeven naar de kelder membraan en het onderliggende weefsel stroma. 11
De vezel-sonde bestaat uit een centrale 1 mm diameter beeld vezel met ongeveer 50.000 4,5 urn diameter vezelelementen, een mantel diameter van 1,1 mm en een totale coating diameter van 1,2 mm. Het beeld vezel wordt omringd door vijf 200 micrometer diameter vezels met een bekleding diameters van 220 urn. Elke 200 pm multimode vezel ligt een hart op hartafstand van 864 urn van het midden van het beeld vezel. Elk van de 200 um multimode vezels 25 ° uit elkaar. Met behulp van de meest linkse 200 urn multimode fiber als de "bron" vezels, en de extra three 200 um multimode vezels als "verzameling" vezels, creëert deze geometrie noodzakelijkerwijs drie center-to-center VIB van 374 um, 730 um, 1051 um en 1323 um. De vezelpunten zijn ingesloten in een cilindrische metalen behuizing die de afstanden tussen vezels constant blijft. De diameter van de cilindrische metalen behuizing is 3 mm. Het distale uiteinde (naar de vezeloptische sonde tip) van de vezeloptische sonde 2 voet lang. De sonde scheidt vervolgens in de zes verschillende individuele vezels bij het proximale uiteinde (naar de bezetting) wat een extra 2 voet lang, voor een totale lengte van 4 voet. Figuur 1 toont een weergave van de vezeloptische sonde.
Figuur 1:. Fiber-optische sonde ontwerp van de glasvezel-sonde bestaat uit een 1 mm diameter image vezel en vier 200 pm multimode vezels. Dezefiguur toont voorstellingen van (a) de metalen einddop die de geometrie van de vezels dringt bij de meetsonde SDS van 374, 730 geven, en 1051 urn ten opzichte van de meest linkse 200 urn multimode vezel (schaalmaat ≈ 1 mm), (b) de vezels wordt beperkt binnen de metalen kap, waarin de vezel kernen, vezelbekleding en vezelbekleding (schaalmaat ≈ 1 mm), (c) de beschermende polyamide omhulsel rond vezels (schaalmaat ≈ 1 mm), (d ) de afgewerkte distale punt van de sonde, met de metalen vingergreep en enkele zwarte kabel die alle vezels (schaalmaat ≈ 4 mm), en (e) een beeld van de distale punt van de sonde (schaalmaat ≈ 4 mm). klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Deze multimodale instrumentatie en bijbehorende technique is de eerste combinatie van deze modaliteiten binnen één sonde, hoewel andere gecombineerde structurele / functionele technieken bestaan die verschillende modaliteiten combineren. Bijvoorbeeld hyperspectrale combineert wide-field imaging kwantitatieve hemoglobine en melanine eigenschappen, 17,18 en andere technieken zijn ontwikkeld die optical coherence tomography (OCT) combineren met analyse van weefsel eiwitexpressie 19 te noemen. Dit artikel doet verslag van een compact en eenvoudig te implementeren instrumentatie opstelling die een algemene vezeloptische sonde die kan worden geoptimaliseerd voor verschillende doeleinden, waaronder endoscopisch gebruik in het lagere maagdarmkanaal en slokdarm of handheld probe voor toepassing in de mondholte gebruikt en externe huid plaatsing. 11,20
De hardware van deze instrumenten vereist zowel aangepaste data-acquisitie en post-processing code om diffuse reflectie spectra te verwerven en vervolgens te extraheren de resulterende volum-e gemiddelde weefsel fysiologische parameters, waaronder [Hb], [Mel], en São 2. De aangepaste data-acquisitie code werd gebouwd om de gelijktijdige aankoop van een camera (voor hoge-resolutie fluorescentiemicroscopie) en een spectrometer (voor diffuse reflectie spectroscopie) mogelijk te maken. Drivers zijn vaak van websites de fabrikant integratie met verschillende programmeertalen mogelijk. De aangepaste post-processing code importeert a priori absorptie waarden van in vivo [Hb] en [Mel] 21 en vervolgens maakt gebruik van een eerder ontwikkelde lineaire optimalisatie fitting proces dat een ingerichte curve van de spectra creëert. 22 De ingebouwde curve wordt gebouwd door het minimaliseren van de χ 2 waarde tussen zichzelf en het ruwe spectrum en de bepaling van de weefsel fysiologische parameters ([Hb], [Mel] en SaO 2) van de gefitte curve en de laagste waarde χ 2. 22 de code kan worden aangepast om onderabsorptie van andere chromoforen ook, zoals de exogene pyranine inkt hier wordt gebruikt, zodat de beoogde fysiologische parameters worden niet beïnvloed.
Fysiologische indicatoren voor de gezondheid weefsel, zoals [Hb], [Mel] en SaO 2, kan worden gebruikt als meldingen van tumor respons op therapie of als indicatoren van lokale vascularisatie en angiogenese. 14,23 inclusief hoge-resolutie fluorescentie microendoscopy modaliteit helpt gids sonde plaatsing en biedt onderzoekers met een meer volledig beeld van de relatie tussen epitheelweefsel structuur en functie. In dit artikel, de bouw en de toepassing van de multimodale microendoscope wordt beschreven. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
De multimodale hoge resolutie beeldvorming en sub-diffuse reflectie spectroscopie fiber-bundel microendoscope hier vermeld kunnen worden geoptimaliseerd en gebruikt door onderzoekers voor verschillende toepassingen zoals endoscopische of handheld gebruik ervan voor menselijke of dierlijke studies. Dit geeft dus een flexibele methode voor het visualiseren in vivo apicale weefsel micro-architectuur naast metingen van het hemoglobinegehalte, melanine concentratie, en weefsel zuurstofverzadiging uit twee vers…
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).
