휴대용 임상 Photoacoustic 실시간 비-침략 적 작은 동물 이미징을 위한 이미징 시스템
Summary
이미징 시스템 임상 휴대용 photoacoustic 실시간 비-침략 적 작은 동물 영상에 대 한 시연 됩니다.
Abstract
병원에 photoacoustic 이미징의 번역은 주요 도전 이다. 휴대용 실시간 임상 photoacoustic 이미징 시스템은 매우 드물다. 여기, 우리는 결합된 photoacoustic와 임상 초음파 이미징 시스템 초음파 프로브 작은 동물 이미징 위한 빛 배달 통합 하 여 보고 합니다. 이 최소 침 습 실시간 바늘 지도 함께 작은 동물에서 센 티 넬 림프절 영상 표시 하 여 설명합니다. 원시 채널 데이터에 접근할 수 있는 임상 초음파 플랫폼 photoacoustic 휴대용 실시간 임상 photoacoustic 이미징 시스템을 최고의 이미징의 통합 수 있습니다. 메 틸 렌 블루 675 nm 파장에서 센 티 넬 림프절 이미징 사용 되었다. 또한, 듀얼 모달 초음파와 photoacoustic 이미징 바늘 지도 이미징 시스템을 사용 하 여 표시 했다. 최대 1.5 c m의 깊이 영상 photoacoustic 이미징 초당 5 프레임의 프레임 속도에서 10 Hz 레이저와 함께 시연 했다.
Introduction
검색 및 암의 준비에 대 한 다른 이미징 기술을 사용할 수 있습니다. 널리 사용 되는 이미지 형식 중 일부는 자기 공명 영상 (MRI), x 선 컴퓨터 단층 촬영 (CT), x 선, 초음파 (미국), 양전자 방출 단층 촬영 (PET), 형광 이미징, 등1,2, 3 , 4. 하지만, 기존 이미징 기술의 일부는 침략, 유해한 방사선, 또는 느리게, 비싼, 부피, 또는 환자에 게 불친절. 따라서, 개발, 진단 및 치료5빠르고 비용 효율적인 이미징 기법을 일정 한 필요가 있다.
(파이) 이미징 Photoacoustic는 풍부한 광학 대조를 결합 하 여 깊은 이미징 깊이5,6,,78에서 고해상도 초음파, 신흥 이미징 기술 9. 파이, 조직의 방사선에 대 한 짧은 레이저 펄스를 사용 합니다. 빛은 작은 온도 상승에 이르게 조직으로 흡수 되 면. Thermoelastic 확장으로 인해 압력 파 (청각 파의 형태로)는 조직 내에서 생성 됩니다. 생성 된 청각 파 (photoacoustic (PA) 파 라고도 함)는 광대역 초음파 트랜스듀서와 인수 (UST) 조직 경계 밖에 서. 이러한 획득된 PA 신호 PA 이미지, 조직 내부 구조 및 기능 정보를 공개를 재구성 하 사용할 수 있습니다. 파이 다양 한 응용 프로그램을 포함 한: 혈관 영상, 센 티 넬 림프절 영상, 뇌 맥 관 구조 영상, 종양 영상, 분자 이미징, 등10,11,12, 13,,1415 파이 다양 한 응용 프로그램 때문에 그것의 이점, 즉: 깊은 침투 깊이, 좋은 공간 해상도, 그리고 높은 연 조직 대비. 파이에 대비 혈액, 멜 라 닌, 등에서 생 수 있습니다. 내 생 명암은 충분히 강하지 않다, exogenous 대비 요원 같은 유기 염료, 나노 입자, 양자 점, 등16,17,,1819, 20 , 21 대비 향상을 위해 사용할 수 있습니다.
파이 다른 이미징 기술 기준으로 다양 한 혜택, 임상 번역은 여전히 아주 큰 도전 이다. 주요 제한 사용 되 고 레이저의 큰 자연, 데이터 수집을 위한 사용 USTs의 대부분 임상 미국 시스템 및 비-상용 임상 미국 이미징 시스템의 원시 채널 액세스를 주는 여부와 호환 되지 않습니다. 데이터입니다. 최근, 상업 임상 미국 기계 원시 데이터에 대 한 액세스와 함께 사용할 수 있는22되고있다. 이 작품에서는, 우리는 핸드헬드 설정 임상 미국 플랫폼을 사용 하 여 파이의 타당성을 입증 하고자 합니다. 우리는 작은 동물 모델에서 센 티 넬의 비 침략 적 영상 림프절 (SLNs)를 표시 하 여이 입증 하고자 합니다.
침략 적인 유 방 종양 여성 암 사망의 주요 원인 중 하나입니다. 유방암을 일찍 준비를 진단 하 고 치료 전략, 환자의 예 후에 중요 한 역할을 결정 하기 위한 생명 이다. 유 방 암 준비 센 티 넬 림프절 생 검 (SLNB)는 일반적으로23,24사용. SLN은 기본 림프절 암 세포를 찾아내기의 가능성은 높은 전이 때문. SLNBs 염료 또는 뒤에 작은 절 개를 가진 지역 오픈 절단 하 고 다음 찾기 염료의 경우 시각적으로 또는 방사성 트레이 서 시가 거 카운터의 도움으로 SLN 방사성 트레이 서를 주입을 포함 한다. 식별, 후 몇 SLN histopathological 연구24,25제거 됩니다. 긍정적인 SLNB 종양 주변 림프절을 아마 다른 장기에 전이 나타냅니다. 네거티브 SLNB 전이의 확률이 무시할 수26임을 나타냅니다. SLNB 팔 마비, lymphedema, 등27 SLNB 관련 합병증을 제거 하기 위해 같은 연결 된 수많은 합병증, 비-침략 적 이미징 기술은 필요 하다.
작은 동물과 인간에서 SLN 매핑, 이미징 PA는 탐험 광범위 하 게 다른 대조 대리인15,,2829,30,31 의 도움으로 , 그러나 32., 현재 사용 하는 시스템에서에서 사용할 수 없습니다 임상 시나리오 이전 지적. 해결 되어야 또 다른 관심사 SLNB28에 관련 된 수술입니다. 정밀한 바늘 포부 생 검에 대 한 최소한 침략 적 절차를 적응 (FNAB) 복구 시간과 환자 들의 부작용을 줄이기 위해 필요 했다. 이 작품에서 임상 미국 시스템 사용 되었다 결합 된 미국 및 PA 이미징 사용 되었다. 임상 설정에서 사용의 용이성에 대 한 사용자 정의 만든 휴대용 주택 광섬유를 넣으면 홀더 설계 되었다. 메 틸 렌 블루 (MB) 사용 된 식별 및 매핑 SLNs. 또한 SLNB 수술과 관련 된 합병증을 제거 하, 추적 하는 비-침략 적 실시간 바늘도 시연.
Protocol
Representative Results
Discussion
현재 심사, 진단 및 암 치료의 비용이 매우 높다. 다른 암 검 진 및 진단에 사용 되는 형식은 이미징이 있다.입니다. 그러나, 이러한 이미징 기술의 많은 제한이 부피가 큰 기계 크기, 침략 적인 진단, 환자, 너무 비 싸, 이온화 방사선 또는 방사성 조 영제의 사용을 unfriendliness를 포함 하 여. 따라서, 효율적, 비용 효율적인, 실시간 이미징 및 시스템 지도 많이 필요 합니다. 결합 된 미국 및 PA 이미징 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자 싱가포르에서 교육부에 의해 자금 1 단계 연구 보조금에서 재정 지원을 인정 하 고 싶습니다 (RG48/16: M4011617) 및 계층 2 연구 그랜트 싱가포르 교육부에 의해 투자 (ARC2/15: M4020238). 저자 동물 처리와 그의 도움에 대 한 박사 Rhonnie 오스트리아 Dienzo를 인정 하 고 싶습니다.
Materials
| Q-switched Nd:YAG laser | Continuum | Surelite | Pump laser |
| Optical parametric oscillator | Continuum | OPO laser | |
| Clinical ultrasound imaging system | Alpinion | E-CUBE 12R | Dual modal ultrasound and photoacoustic imaging system |
| Linear array ultrasound transducer | Alpinion | L3-12 | 128 element linear array transducer with centre frequency of 8.5 MHz, fractional bandwidth of 95%, |
| Bifurcated optical fiber | CeramOptec | Custom made | To couple the light from the laser to the handheld fiber holder |
| Lens | Thorlabs | LB1869 | Focus light from the laser to the optical fiber |
| Ultrasound gel | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Acoustic coupling |
| Image Processing software | Mathworks | Matlab | Home made program using Matlab |
| Anesthetic Machine | medical plus pte ltd | Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator. | Supplies oxygen and isoflurane to animal |
| Pulse Oxymeter portable | Medtronic | PM10N with veterinary sensor | Monitors the pulse oxymetry of the animal |
| Animal distributor | In Vivos Pte Ltd, Singapore | Animal distributor that supplies small animals for research purpose. | |
| Breathing mask | Custom made | Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal | |
| chicken breast tissue | Pasar | Used to add depth to mimic human imaging scenario | |
| 23G needle | BD Precisionglide | 23G,1 and half inch | Used for realtime needle guidance |
| Holder for the fiber optic cable | Custom made | To hold the input end of the bifurcated cable | |
| Handheld probe | Custom made 3D printed | With two slots for the two output ends of the optical fiber and one slot for the ultrasound transducer | |
| Methylene blue (10 mg/mL) | Sterop | Contrast agent for PA imaging | |
| Laser tuning software | Surelite OPO PLUS | SLOPO | Software to tune the wavelength of OPO laser |
| Photodiode | Thorlabs | SP05/M | To detect the laser pulse to trigger the ultrasound system |
| Photodiode bias module | Thorlabs | PBM42 | To amplify the photodiode signal to tigger ultrasound signal |
| Depilatory cream | Reckitt Benckiser | Veet | Used to remove hair from the imaging area |
| Laser power meter | Ophir | Starlite, p/n: 7Z01565 | Used to measure the laser power |
References
- Yun, S. H., Kwok, S. J. Light in diagnosis, therapy and surgery. Nat. Biomed. Eng. 1, 0008 (2017).
- Tseng, J., et al. Clinical accuracy of preoperative breast MRI for breast cancer. J. Surg. Oncol. , (2017).
- Baran, P., et al. Optimization of propagation-based x-ray phase-contrast tomography for breast cancer imaging. Phys. Med. Biol. 62 (6), 2315 (2017).
- Huzarski, T., et al. Screening with magnetic resonance imaging, mammography and ultrasound in women at average and intermediate risk of breast cancer. Hered. Cancer Clin. Pract. 15 (1), 4 (2017).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041006 (2017).
- Wang, L. V., Yao, J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nat. Methods. 13 (8), 627-638 (2016).
- Wang, L. V., Gao, L. Photoacoustic microscopy and computed tomography: from bench to bedside. Annu Rev Biomed Eng. 16, 155-185 (2014).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1 (4), 602-631 (2011).
- Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic tomography: fundamentals, advances and prospects. Contrast Media Mol Imaging. 6 (5), 332-345 (2011).
- Hai, P., et al. Label-free high-throughput detection and quantification of circulating melanoma tumor cell clusters by linear-array-based photoacoustic tomography. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041004 (2017).
- Upputuri, P. K., Kalva, S. K., Moothanchery, M., Pramanik, M. Pulsed laser diode photoacoustic tomography (PLD-PAT) system for fast in vivo imaging of small animal brain. Proc Spie. , (2017).
- Fakhrejahani, E., et al. Clinical report on the first prototype of a photoacoustic tomography system with dual illumination for breast cancer imaging. PLoS One. 10 (10), e0139113 (2015).
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Pan, D., et al. Molecular photoacoustic imaging of angiogenesis with integrin-targeted gold nanobeacons. FASEB J. 25 (3), 875-882 (2011).
- Erpelding, T. N., et al. Sentinel Lymph Nodes in the Rat : Noninvasive Photoacoustic and US imaging with a clinical US system. Radiology. 256 (1), 102-110 (2010).
- Gawale, Y., et al. Carbazole-Linked Near-Infrared Aza-BODIPY Dyes as Triplet Sensitizers and Photoacoustic Contrast Agents for Deep-Tissue Imaging. Chem. Eur. J. 23 (27), 6570-6578 (2017).
- Sivasubramanian, K., et al. Near Infrared light-responsive liposomal contrast agent for photoacoustic imaging and drug release applications. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041007 (2017).
- Huang, S., Upputuri, P. K., Liu, H., Pramanik, M., Wang, M. A dual-functional benzobisthiadiazole derivative as an effective theranostic agent for near-infrared photoacoustic imaging and photothermal therapy. J. Mater. Chem. B. 4 (9), 1696-1703 (2016).
- Huang, S., Kannadorai, R. K., Chen, Y., Liu, Q., Wang, M. A narrow-bandgap benzobisthiadiazole derivative with high near-infrared photothermal conversion efficiency and robust photostability for cancer therapy. Chem. Comm. 51 (20), 4223-4226 (2015).
- Wu, D., Huang, L., Jiang, M. S., Jiang, H. Contrast Agents for Photoacoustic and Thermoacoustic Imaging: A Review. Int. J. Mol. Sci. 15 (12), 23616-23639 (2014).
- Pramanik, M., Swierczewska, M., Green, D., Sitharaman, B., Wang, L. V. Single-walled carbon nanotubes as a multimodal-thermoacoustic and photoacoustic-contrast agent. J. Biomed. Opt. 14 (3), 034018 (2009).
- Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Sci. Rep. 6, 35137 (2016).
- McMasters, K. M., et al. Sentinel lymph node biopsy for breast cancer: a suitable alternative to routine axillary dissection in multi-institutional practice when optimal technique is used. J. Clin. Oncol. 18 (13), 2560-2566 (2000).
- Krag, D., et al. The sentinel node in breast cancer – a multicenter validation study. N. Engl. J. Med. 339 (14), 941-946 (1998).
- Borgstein, P. J., Meijer, S., Pijpers, R. Intradermal blue dye to identify sentinel lymphnode in breast cancer. The Lancet. 349 (9066), 1668-1669 (1997).
- Ung, O. A., South, N., Breast, W., Hospital, W. Australasian Experience and Trials in Sentinel Lymph Node Biopsy: The RACS SNAC Trial. Asian J. Surg. 27 (4), 284-290 (2004).
- Purushotham, A. D., et al. Morbidity after sentinel lymph node biopsy in primary breast cancer: results from a randomized controlled trial. J. Clin. Oncol. 23 (19), 4312-4321 (2005).
- Kim, C., et al. Handheld array-based photoacoustic probe for guiding needle biopsy of sentinel lymph nodes. J. Biomed. Opt. 15 (4), 046010 (2010).
- Garcia-Uribe, A., et al. Dual-Modality Photoacoustic and Ultrasound Imaging System for Noninvasive Sentinel Lymph Node Detection in Patients with Breast Cancer. Sci. Rep. 5, 15748 (2015).
- Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. Sentinel Lymph Nodes and Lymphatic Vessels: Noninvasive Dual-Modality in Vivo Mapping by Using Indocyanine Green in Rats-Volumetric Spectroscopic Photoacoustic Imaging and Planar Fluorescence Imaging. Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).
- Pan, D., et al. Near infrared photoacoustic detection of sentinel lymph nodes with gold nanobeacons. Biomaterials. 31 (14), 4088-4093 (2010).
- Song, K. H., Kim, C., Cobley, C. M., Xia, Y., Wang, L. V. Near-infrared gold nanocages as a new class of tracers for photoacoustic sentinel lymph node mapping on a rat model. Nano Lett. 9 (1), 183-188 (2009).
- Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Wen, K. K., Pramanik, M. Optimizing light delivery through fiber bundle in photoacoustic imaging with clinical ultrasound system: Monte Carlo simulation and experimental validation. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041008 (2017).
- Sivasubramanian, K., Pramanik, M. High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system. Biomed. Opt. Express. 7 (2), 312-323 (2016).
- Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. , (2007).
- Chapman, G. A., Johnson, D., Bodenham, A. R. Visualisation of needle position using ultrasonography. Anaesthesia. 61 (2), 148-158 (2006).
- Daoudi, K., et al. Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging. Opt. Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).
