बहुविध इमेजिंग और गैर इनवेसिव के लिए स्पेक्ट्रोस्कोपी फाइबर बंडल Microendoscopy प्लेटफार्म,<em> Vivo</em> ऊतक विश्लेषण
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
हाल ही में फाइबर बंडल Microendoscopy तकनीक सक्षम विवो ऊतक या तो इमेजिंग तकनीक या स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक के संयोजन का उपयोग के गैर इनवेसिव विश्लेषण। एक ऑप्टिकल जांच में इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक का मेल ऊतक स्वास्थ्य की एक और पूरी विश्लेषण प्रदान कर सकता है। इस अनुच्छेद में, दो भिन्न तौर तरीकों संयुक्त रहे हैं, उच्च संकल्प प्रतिदीप्ति Microendoscopy इमेजिंग और फैलाना reflectance स्पेक्ट्रोस्कोपी, एक ऑप्टिकल जांच में। उच्च संकल्प प्रतिदीप्ति इमेजिंग Microendoscopy शिखर ऊतक सूक्ष्म वास्तुकला कल्पना करने के लिए प्रयोग किया जाता है एक तकनीक है, हालांकि ज्यादातर एक गुणात्मक तकनीक, नवोत्पादित और गैर-नवोत्पादित ऊतक के बीच प्रभावी वास्तविक समय भेदभाव का प्रदर्शन किया है और। फैलाना reflectance स्पेक्ट्रोस्कोपी एक तकनीक है जो स्थानीय हीमोग्लोबिन एकाग्रता, मेलेनिन एकाग्रता, और ऑक्सीजन संतृप्ति सहित ऊतक शारीरिक मापदंड निकाल सकते हैं है। यह आलेख वर्णन विनिर्देशों rफाइबर ऑप्टिक जांच के निर्माण के लिए, उपकरण बनाने के लिए, और फिर इन विवो मानव त्वचा पर तकनीक को दर्शाता है equired। इस काम से पता चला है कि ऊतक सूक्ष्म वास्तुकला, विशेष शिखर त्वचा keratinocytes, उसके संबंधित शारीरिक मापदंड के साथ सह-पंजीकृत किया जा सकता है। यहाँ प्रस्तुत इंस्ट्रूमेंटेशन और फाइबर बंडल जांच अंग प्रणालियों की एक किस्म में इस्तेमाल के लिए या तो एक हाथ या endoscopically-संगत डिवाइस के रूप में अनुकूलित किया जा सकता। अतिरिक्त नैदानिक अनुसंधान अलग उपकला रोग राज्यों के लिए इस तकनीक की व्यवहार्यता का परीक्षण करने की जरूरत है।
Introduction
फाइबर बंडल Microendoscopy तकनीक को आम तौर पर एक छोटी सी में या तो इमेजिंग तकनीक या स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक के संयोजन का उपयोग विवो ऊतक में विश्लेषण। 1-3 ऐसा ही एक इमेजिंग तकनीक, उच्च संकल्प प्रतिदीप्ति Microendoscopy, उप सेलुलर संकल्प के साथ कर सकते हैं छवि के शिखर ऊतक सूक्ष्म वास्तुकला , microscale क्षेत्र का दृश्य, ऐसे proflavine, fluorescein, या pyranine स्याही के रूप में एक सामयिक विपरीत एजेंट का उपयोग कर। 1,3-11 इस इमेजिंग साधन गुणात्मक कम के साथ वास्तविक समय में रोगग्रस्त और स्वस्थ उपकला ऊतक फर्क में नैदानिक प्रदर्शन का वादा दिखाया गया है अंतर-पर्यवेक्षक परिवर्तनशीलता। 8 कभी कभी, जांचकर्ताओं उच्च संकल्प प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी डेटा का उपयोग करेगा इस तरह के सेल और परमाणु आकार या ग्रंथि क्षेत्र के रूप में मात्रात्मक सुविधाओं को निकालने के लिए, लेकिन यह एक मुख्य रूप से गुणात्मक तकनीक ऊतक आकृति विज्ञान visualizing की ओर लक्षित बनी हुई है। 1,3,8- 10 दूसरी ओर, स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक, ऐसेफैलाना reflectance स्पेक्ट्रोस्कोपी के रूप में, कार्यात्मक ऊतक जानकारी प्रदान करने और मात्रात्मक कई अंगों में कैंसर घावों की पहचान करने में नैदानिक प्रदर्शन का वादा पता चला है की ओर लक्षित कर रहे हैं। 2,12-15
इसलिए, वहाँ एक डिवाइस के तौर तरीकों के दोनों प्रकार को शामिल करने के लिए संभावित इसके अलावा, अंतर-पर्यवेक्षक परिवर्तनशीलता को कम ऊतक सूक्ष्म वास्तुकला का वास्तविक समय दृश्य को बनाए रखने, और ऊतक स्वास्थ्य की एक और पूरी विश्लेषण उपलब्ध कराने के लिए एक की जरूरत है। इस लक्ष्य को पूरा करने के लिए, एक बहुविध जांच के आधार पर साधन का निर्माण किया गया है कि एक भी फाइबर ऑप्टिक जांच में दो तौर तरीकों को जोड़ती है:। उच्च संकल्प प्रतिदीप्ति Microendoscopy और उप फैलाना reflectance स्पेक्ट्रोस्कोपी 11 इस विधि सह रजिस्टरों शिखर के गुणात्मक उच्च संकल्प छवियों ऊतक आकृति विज्ञान (संरचनात्मक गुणों) स्थानीय हीमोग्लोबिन एकाग्रता सहित मात्रात्मक वर्णक्रम जानकारी (कार्यात्मक गुण) दो अलग ऊतक गहराई से साथ ([एचबी]), मेलेनिन एकाग्रता (। [मेल]), और ऑक्सीजन संतृप्ति (साओ 2) 11,12,16 इस विशिष्ट उप-फैलाना reflectance स्पेक्ट्रोस्कोपी साधन दो स्रोत डिटेक्टर विभाजन (SDSS) का उपयोग करता दो अद्वितीय ऊतक गहराई नमूने के लिए प्रदान करने के लिए तहखाने झिल्ली और अंतर्निहित ऊतक स्ट्रोमा करने के लिए नीचे नमूने द्वारा ऊतक स्वास्थ्य के एक अधिक व्यापक तस्वीर। 11
फाइबर जांच लगभग 50,000 4.5 मीटर व्यास फाइबर तत्वों, 1.1 मिमी की एक आवरण व्यास और 1.2 मिमी की एक समग्र कोटिंग व्यास के साथ एक केंद्रीय 1 मिमी व्यास छवि फाइबर होते हैं। छवि फाइबर 220 माइक्रोन का आवरण व्यास के साथ पाँच 200 माइक्रोन व्यास तंतुओं से घिरा हुआ है। प्रत्येक 200 माइक्रोन बहुपद्वति फाइबर 864 माइक्रोन के एक केंद्र के लिए केन्द्र से दूरी छवि फाइबर के केंद्र से दूर स्थित है। 200 माइक्रोन बहुपद्वति फाइबर से प्रत्येक 25 डिग्री के अलावा हैं। "स्रोत" फाइबर के रूप में सबसे बाएँ 200 माइक्रोन बहुपद्वति फाइबर, और अतिरिक्त वीं का उपयोग"संग्रह" फाइबर के रूप में REE 200 माइक्रोन बहुपद्वति फाइबर, इस ज्यामिति जरूरी तीन केंद्र के लिए केंद्र 374 माइक्रोन की SDSS, 730 माइक्रोन, 1,051 मीटर है, और 1,323 माइक्रोन बनाता है। फाइबर सुझावों का एक बेलनाकार धातु आवरण है कि फाइबर निरंतर बीच दूरी रहता है में संलग्न हैं। बेलनाकार धातु आवरण का व्यास 3 मिमी है। बाहर का अंत फाइबर ऑप्टिक जांच के (फाइबर ऑप्टिक जांच टिप की ओर) 2 फीट लंबा है। जांच तो समीपस्थ अंत (इंस्ट्रूमेंटेशन की ओर) पर छह-अपने व्यक्तिगत फाइबर जो एक अतिरिक्त 2 फीट लंबा है, 4 फीट की कुल लंबाई के लिए में अलग करती है। चित्रा 1 फाइबर ऑप्टिक जांच का प्रतिनिधित्व दिखाता है।
चित्रा 1:। फाइबर ऑप्टिक फाइबर ऑप्टिक जांच डिजाइन जांच एक 1 मिमी व्यास छवि फाइबर और चार 200 माइक्रोन बहुपद्वति फाइबर होते हैं। इसचित्रा के निरूपण पता चलता है (एक) धातु अंत टोपी जो जांच टिप में फाइबर की ज्यामिति constrains की SDSS 374, 730 उपज के लिए, और बाएँ तरफ 200 माइक्रोन बहुपद्वति फाइबर के संबंध में (स्केल बार ≈ 1 मिमी) के साथ 1,051 माइक्रोन, (ख) फाइबर धातु टोपी के भीतर विवश किया जा रहा है, फाइबर कोर, फाइबर आवरण, और फाइबर कोटिंग (स्केल बार ≈ 1 मिमी), (ग) फाइबर के आसपास सुरक्षा पॉलियामाइड म्यान (स्केल बार ≈ 1 मिमी) दिखा रहा है, (घ ) से जांच कराने के समाप्त बाहर का टिप, धातु उंगली पकड़ और एक काले केबल सभी फाइबर युक्त (स्केल बार ≈ 4 मिमी), और (ङ) जांच (स्केल बार ≈ 4 मिमी के बाहर का टिप की एक तस्वीर के साथ)। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
यह बहुविध उपकरण और संबद्ध तकनीकहालांकि अन्य संयुक्त संरचनात्मक / कार्यात्मक तकनीक मौजूद है कि विभिन्न तौर तरीकों गठबंधन कर कुए, एक एकल जांच के भीतर इन तौर-तरीकों की पहली संयोजन है। उदाहरण के लिए, hyperspectral इमेजिंग मात्रात्मक हीमोग्लोबिन और मेलानिन गुण, 17,18 और अन्य तकनीकों का विकास किया गया है कि ऊतक प्रोटीन अभिव्यक्ति का विश्लेषण, 19 के साथ ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी (अक्टूबर) गठबंधन के लिए कुछ नाम के साथ व्यापक क्षेत्र इमेजिंग जोड़ती है। एक सामान्य फाइबर ऑप्टिक जांच जो मौखिक गुहा में उपयोग के लिए कम जठरांत्र संबंधी मार्ग और घेघा में या एक हाथ में जांच के रूप में इंडोस्कोपिक उपयोग सहित विभिन्न प्रयोजनों के लिए अनुकूलित किया जा सकता का उपयोग करता है एक कॉम्पैक्ट और आसान करने के लिए लागू इंस्ट्रूमेंटेशन स्थापना पर यह लेख रिपोर्टों और बाहरी त्वचा नियुक्ति। 11,20
इस उपकरण के लिए हार्डवेयर फैलाना reflectance स्पेक्ट्रा प्राप्त करने के लिए और फिर परिणामस्वरूप volum निकालने दोनों कस्टम डाटा अधिग्रहण और बाद के प्रसंस्करण के कोड की आवश्यकता हैई-औसतन ऊतक [एचबी], [मेल], और साओ 2 सहित शारीरिक मापदंड। कस्टम डाटा अधिग्रहण कोड एक साथ (उच्च संकल्प प्रतिदीप्ति माइक्रोस्कोपी के लिए) एक कैमरे से अधिग्रहण और एक स्पेक्ट्रोमीटर (फैलाना reflectance स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए) की अनुमति देने के लिए बनाया गया था। ड्राइवर अक्सर प्रोग्रामिंग भाषाओं की एक किस्म के साथ एकीकरण की अनुमति के लिए निर्माताओं की वेबसाइटों से उपलब्ध हैं। कस्टम पोस्ट प्रसंस्करण कोड में विवो [एचबी] और [मेल] 21 वर्ष की एक प्राथमिकताओं अवशोषण मूल्यों का आयात किया जाता है और फिर एक पहले से विकसित nonlinear अनुकूलन फिटिंग प्रक्रिया है कि स्पेक्ट्रा के एक फिट वक्र बनाता इस्तेमाल करता है। 22 फिट की अवस्था कम करके बनाया गया है χ 2 ही है और कच्चे स्पेक्ट्रा और बीच मूल्य फिट वक्र से और सबसे कम χ 2 मूल्य। 22 कोड के साथ ऊतक शारीरिक मापदंड ([एचबी], [मेल], और साओ 2) का निर्धारण शामिल करने के लिए संशोधित किया जा सकताइस तरह यहां इस्तेमाल बहिर्जात pyranine स्याही के रूप में के रूप में अच्छी तरह से अन्य chromophores से अवशोषण है, ताकि लक्ष्य शारीरिक मापदंड अप्रभावित रहे हैं।
ऐसे [एचबी], [मेल], और साओ 2, के रूप में ऊतक स्वास्थ्य के शारीरिक संकेतक, एक उच्च संकल्प प्रतिदीप्ति Microendoscopy साधन सहित उपचार के लिए ट्यूमर प्रतिक्रिया की रिपोर्ट के रूप में या स्थानीय vascularization और angiogenesis के संकेतक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। 14,23 गाइड जांच के प्लेसमेंट में मदद करता है और उपकला ऊतक संरचना और समारोह के बीच के रिश्ते की एक और पूरी तस्वीर के साथ जांचकर्ताओं प्रदान करता है। इस लेख, निर्माण और बहुविध microendoscope के आवेदन में वर्णित है। 11
Protocol
Representative Results
Discussion
बहुविध उच्च संकल्प इमेजिंग और उप फैलाना reflectance स्पेक्ट्रोस्कोपी फाइबर बंडल microendoscope यहां बताया अनुकूलित और इंडोस्कोपिक या मानव या जानवरों के अध्ययन के लिए हाथ में उपयोग सहित आवेदन की एक किस्म के लिए जां…
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
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