הדמיה מולטימודליות וספקטרוסקופיה סיבים צרור פלטפורמת Microendoscopy עבור לא פולשני,<em> In vivo</em> בדיקת רקמות
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
טכניקות microendoscopy סיבים צרורים אחרונות לאפשר ניתוח פולשני של רקמות in vivo או באמצעות טכניקות הדמיה או שילוב של טכניקות ספקטרוסקופיה. שילוב טכניקות הדמיה וספקטרוסקופיה לתוך חללית אופטית בודדת עשוי לספק ניתוח מלא יותר של בריאות רקמות. במאמר זה, שתי שיטות שונות משולבות, הדמית microendoscopy קרינה גבוהה ברזולוצית ספקטרוסקופיה החזרה מפוזרת, לתוך חללית אופטית יחידה. דימות פלואורסצנטי microendoscopy הפרדה גבוהה טכניקה המשמשת לדמיין המיקרו-ארכיטקטורת פסגת רקמות, אם כי טכניקה איכותית בעיקר, הוכיחה בידול בזמן אמת יעיל בין רקמת אנטינאופלסטיים הלא ממאירה. החזרת ספקטרוסקופיה המפוזרת היא טכניקה שיכול לחלץ פרמטרים פיסיולוגיים רקמות כולל ריכוז המוגלובין מקומי, ריכוז מלנין, רוויון חמצן. מאמר זה מתאר את המפרט required לבנות את החללית סיבים אופטיים, איך לבנות את המכשור, ולאחר מכן מדגים את הטכניקה על העור in vivo האדם. עבודה זו עולה כי מיקרו-ארכיטקטורה רקמות, קרטינוציטים העור הפסגה במיוחד, יכול להיות שותף רשום עם פרמטרים פיזיולוגיים הקשורים אליו. חללית מכשור סיבים הצרור המוצגת כאן יכולה להיות מותאמת כמו גם מכשיר כף יד או אנדוסקופית התואמת לשימוש במגוון מערכות איברים. מחקר קליני נוסף דרוש על מנת לבחון את הכדאיות של טכניקה זו עבור מצבי מחלה אפיתל שונים.
Introduction
סיבים צרורי טכניקות microendoscopy בדרך כלל לנתח ברקמות vivo או באמצעות טכניקות הדמיה או שילוב של טכניקות ספקטרוסקופיה. 1-3 אחת טכניקת דימות כגון, microendoscopy קרינה ברזולוציה גבוהה, יכול תמונת רקמות פסגה המיקרו-ארכיטקטורה עם רזולוצית משנה הסלולר ב קטן , שדה של נוף microscale, באמצעות חומר ניגוד אקטואלי כגון proflavine, והעמסה, או דיו pyranine. 1,3-11 שיטת הדמיה זו הוכיחה מבטיחה ביצועים קליניים להבדיל רקמות אפיתל חולות איכותי ובריאות בזמן אמת עם נמוך השתנות בין צופה. 8 לפעמים, חוקרים ישתמשו בנתוני מיקרוסקופ פלואורסצנטי ברזולוציה גבוהה כדי לחלץ תכונות כמותיות, כגון תא וגודל גרעיני או באזור בלוטה, אבל זה נשאר בגדר טכניקה איכותית בעיקר הממוקדת כלפי חזותי מורפולוגיה רקמות. 1,3,8- 10 המצד השני, טכניקות ספקטרוסקופיה, כגוןכמו ספקטרוסקופיה החזרה מפוזרת, ממוקד לקראת מתן מידע רקמות פונקציונלי הראה מבטיח ביצועים קליניים בזיהוי נגעים סרטניים כמותית באיברים רבים. 2,12-15
לכן, יש צורך עבור מכשיר המשלב שני סוגי ולנהלים פוטנציאל לצמצם עוד יותר השתנות בין הצופה, לשמור ויזואליזציה בזמן אמת של רקמות מיקרו-ארכיטקטורה, ולספק ניתוח מלא יותר של בריאות רקמות. כדי להשיג מטרה זו, מכשיר המבוסס על בדיקת multimodal נבנה משלב שתי שיטות בתוך חללית סיבים אופטיים יחידה:. Microendoscopy קרינה גבוהה ברזולוצית ספקטרוסקופיה החזרת משנה מפוזרת 11 זה-אוגר שיתוף שיטה האיכותנית תמונות ברזולוציה גבוהה של פסגה מורפולוגיה רקמות (תכונות מבניות) עם מידע ספקטרלי כמותית (תכונות פעילות) משתי במעמקי רקמות נפרדים כולל ריכוז המוגלובין מקומי ([Hb]), ריכוז המלנין ([מל]), ואת ריווי חמצן (סאו 2). 11,12,16 אפנות ספקטרוסקופיה החזרת משנה מפוזר ספציפיות זה משתמש בשתי פרדות-גלאי מקור (SDSS) לדגום שני במעמקי רקמות ייחודיים לאספקה תמונה מקיפה יותר של בריאות רקמות באמצעות דגימת עד קרום המרתף stroma הרקמה הבסיסית. 11
הסיבים-הבדיקה מורכבת סיב דימוי מרכזי 1 מ"מ בקוטר עם אלמנטי סיבים בקוטר כ 50,000 4.5 מיקרומטר, בקוטר חיפוי של 1.1 מ"מ בקוטר ציפוי כולל של 1.2 מ"מ. סיבי התמונה מוקף בחמישה 200 מיקרומטר סיבים בקוטר בקטרי חיפוי של 220 מיקרומטר. כל סיב multimode 200 מיקרומטר ממוקם במרחק מרכז אל מרכז של 864 מיקרומטר הרחק ממרכז הסיב התמונה. כל אחד סיבי multimode 200 מיקרומטר פסוקים 25 °. באמצעות סיבים multimode 200 מיקרומטר השמאלי ביותר כמו סיבים "המקור", ואת ה נוספתרי 200 מיקרומטר סיבים multimode כמו "אוסף" הסיבים, גיאומטריה זה בהכרח יוצר שלושה מרכז אל מרכז SDSS של 374 מיקרומטר, 730 מיקרומטר, 1,051 מיקרומטר, ו 1,323 מיקרומטר. עצות הסיבים מוקפות בתוך מעטפת מתכת גלילית שמחזיקה את המרחקים בין קבוע סיבים. הקוטר של מארז המתכת הגלילי הוא 3 מ"מ. בקצה הדיסטלי (לקראת קצה החללית סיבים אופטיים) של החללית סיבים אופטיים ארוך 2 מטרים. החללית אז מפרידה לששת סיבי פרט בהתאמה בסוף הפרוקסימלי (לכיוון המכשור) שהינה בעלת ארוך נוסף 2 מטרים, עבור באורך כולל של 4 מטרים. איור 1 מציג ייצוג של חללית הסיבים אופטיים.
איור 1:. עיצוב חללית סיבים אופטי חללית הסיבים אופטיים מורכבת 1 אחד סיבי תמונת מ"מ בקוטר וארבעה 200 מיקרומטר סיבים מרובים. זֶההאיור מציג ייצוגים של (א) את הכובע בסוף מתכת אשר מגביל את הגיאומטריה של סיבים על קצה החללית להניב SDSS של 374, 730, ו 1,051 מיקרומטר ביחס סיבים 200 מיקרומטר multimode השמאלי ביותר (סרגל קנה מידה ≈ 1 מ"מ), (ב) הסיבים להיות מוגבל בתוך מכסה מתכת, מראה את ליבות סיבים, חיפוי סיבים, וציפוי סיבים (סרגל קנה מידה ≈ 1 מ"מ), (ג) לנדן פוליאמיד מגן סביב סיבי (סרגל קנה מידה ≈ 1 מ"מ), (ד ) את קצה דיסטלי המוגמר של החללית, עם האחיזה מתכת כבל שחור יחיד המכיל את כל סיבי (סרגל קנה מידה ≈ 4 מ"מ), ו- (ה) תמונה של קצה דיסטלי של החללית (סרגל קנה מידה ≈ 4 מ"מ). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
מכשור multimodal זה techni הקשוריםque הוא השילוב הראשון של שיטות אלה בתוך חללית יחידה, אם כי טכניקות מבניות / פונקציונליות משולבות אחרים אכן קיימות המשלבים באופנים שונים. לדוגמה, הדמיה היפרספקטראלית משלב הדמיה רחב בתחום בעלי תכונות המוגלובין מלנין כמותי, 17,18 וטכניקות אחרות פותחו המשלבים טומוגרפיה קוהרנטיות אופטית (אוקטובר) עם ניתוח של ביטוי חלבון רקמות, 19 עד כמה שם. דוחות מאמר זה על התקנת מכשור קומפקטית וקלה ליישם המשתמשת חללית סיבים אופטיים כללית אשר יכול להיות מותאמת למטרות שונות כולל שימוש אנדוסקופית במערכת העיכול התחתון וושט או כמו בדיקת כף יד לשימוש בחלל הפה ושם חיצוני בעור. 11,20
החומרה עבור מכשור זה דורשת הוא רכישת נתונים מותאם אישית וקוד שלאחר עיבוד לרכוש ספקטרום החזרה מפוזר ולאחר מכן לחלץ את volum וכתוצאה מכךדואר בממוצע פרמטרים פיזיולוגיים רקמות כולל [Hb], [מל], והפרקליטות 2. קוד איסוף נתונים המותאמים אישית נבנה כדי לאפשר רכישת סימולטני ממצלמה (עבור מיקרוסקופ פלואורסצנטי ברזולוציה גבוהה) ו ספקטרומטר (עבור ספקטרוסקופיה החזרה מפוזרת). נהגה לעתים קרובות זמינים שנלקחו מאתרים של היצרנים על מנת לאפשר אינטגרציה עם מגוון רחב של שפות תכנות. הקוד המותאם אישית שלאחר עיבוד מייבאת ערכים קליט פריורית in vivo [Hb] ו [מל] 21 ולאחר מכן מנצל תהליך קוי בעבר פתח אופטימיזציה הולם שיוצר עקומה מצוידת של הספקטרום. 22 העקומה המצוידת נבנתה על ידי מזעור χ 2 ערך בינו לבין ספקטרום הגלם וקביעת פרמטרים פיזיולוגיים רקמות ([Hb], [מל], והפרקליטות 2) מעקום מצויד ועם ערך χ 2 הנמוך ביותר. 22 ניתן לשנות את הקוד כדי לכלולקליטה מ chromophores אחר גם כן, כמו דיו pyranine אקסוגניים משמש כאן, כך יעד פרמטרים פיסיולוגיים אינם מושפעים.
סממנים פיזיולוגיים של בריאות רקמות, כגון [Hb], [מל], והפרקליטות 2, יכול לשמש דיווחים על תגובת הגידול לטיפול או כאינדיקטורים כלי דם מקומיים אנגיוגנזה. 14,23 כולל אופנות microendoscopy הקרינה ברזולוציה גבוהה עוזר מיקום מדריך חללי ומספק לחוקרי תמונה שלמה יותר של הקשר בין מבנה רקמות אפיתל ותפקוד. במאמר זה, בנייה ויישום של microendoscope multimodal מתואר. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
ההדמיה ברזולוציה גבוהה multimodal ו microendoscope סיבים צרורים ספקטרוסקופיה החזרת משנה המפוזר דיווח כאן יכולים להיות מותאמת בשימוש על ידי חוקרים עבור מגוון רחב של יישומים, כולל אנדוסקופית או שימוש כף יד עבור מחקרים בבני אדם או בעלי חיים. זה ובכך מספק שיטה גמישה המאפשר הדמיה…
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).
