Ручные клинических Фотоакустическая изображений системы для реального времени неинвазивные мелких животных изображений
Summary
Клинические портативных Фотоакустическая система будет продемонстрирована для реального времени неинвазивные мелких животных изображений.
Abstract
Перевод Фотоакустическая визуализация в клинике является серьезной проблемой. Портативный реального времени клинических Фотоакустическая тепловизионных систем очень редки. Здесь мы приводим комбинированных Фотоакустическая и клинических ультразвуковой визуализации системы путем интеграции ультразвуковой зонд с легкой поставки для малых животных изображений. Мы демонстрируем это, показаны дозорных Лимфоузел изображений в мелких животных наряду с минимально инвазивной реального времени иглы руководство. Клиническая ультразвуковая платформы доступ к каналу данных позволяет интеграцию Фотоакустическая изображений приводит к ручной реального времени клинических Фотоакустическая система. Метиленовый синий был использован для дозорного Лимфоузел изображений на 675 Нм длины волны. Кроме того руководство иглы с двойной модальных УЗИ и Фотоакустическая томографии показали, с использованием изображений системы. Глубины изображения до 1,5 см была продемонстрирована с помощью лазера 10 Гц в Фотоакустическая изображений частоту кадров 5 кадров в секунду.
Introduction
Для обнаружения и определения стадии рака доступны различные методы обработки изображений. Некоторые из широко используемых изображений условия являются магнитно-резонансная томография (МРТ), рентгеновская компьютерная томография (КТ), рентген, УЗИ, (США), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), флуоресценции изображений, и т.д.1,2, 3 , 4. но, некоторые из существующих методов обработки изображений либо инвазивных, имеют вредные излучения, или медленно, дорогие, громоздких или недружественные пациентам. Таким образом существует постоянная необходимость разработки новых, быстро и экономически эффективные методы визуализации для диагностики и терапии5.
Фотоакустическая изображений (PAI) является формирующейся изображений техника, которая сочетает в себе богатую оптических контраст с высоким разрешением ультразвуковой глубже изображения глубина5,6,7,8, 9. В городке ПАЙ короткого лазерного импульса используется для облучения ткани. Свет получает поглощается ткани, что приводит к небольшой нагрев. Вследствие расширения термоупругих волны давления (в виде акустических волн) генерируются в ткани. Сгенерированный акустических волн (также известный как Фотоакустическая (PA) волны) приобретаются с датчика УЗИ wideband (ЕСН) за пределами границ ткани. Эти полученные сигналы ПА может использоваться для восстановления изображений ПА, структурной и функциональной информации внутри ткани. ПАЙ имеет широкий спектр приложений, в том числе: кровеносный сосуд изображений, сторожевого лимфатического узла изображений, сосудистую томографии головного мозга, опухоль изображения, Молекулярное воображение, и т.д.10,11,12, 13,,1415 ПАЙ имеет многочисленные приложения из-за ее преимущества, а именно: глубже глубина проникновения, хорошее пространственное разрешение и контраст высоких мягких тканей. Контраст в ИКМС может быть эндогенного от крови, меланина, и т.д. Когда эндогенного контраст не достаточно сильны, экзогенных контрастного вещества, как органические красители, наночастицы, квантовые точки,, и т.д.16,,1718,19 20 , 21 могут быть использованы для улучшения контрастности.
Хотя ПАЙ имеет множество преимуществ по сравнению с другими методы обработки изображений, клинический перевод по-прежнему очень большой проблемой. Основные ограничения являются громоздкий характер используются лазеры, большинство из UST, используемые для сбора данных не совместимы с клинических систем США и наличие коммерчески доступных клинических систем тепловидения США, которые дают доступ к каналу данных. Только недавно коммерческих клинических машин США доступ к необработанным данным стали доступны22. В этой работе мы стремимся продемонстрировать возможности ПАЙ с ручной настройки с помощью клинических США платформы. Мы стремимся продемонстрировать это, показывая неинвазивной визуализации дозорного лимфатические узлы (SLNs) в небольшой модели на животных.
Инвазивные груди опухоли являются одной из ведущих причин смерти от рака среди женщин. Диагностики и раннего Постановка рака молочной железы имеет жизненно важное значение для определения стратегии лечения, которые играют важную роль в прогноз пациента. Для груди Рак промежуточной дозорный биопсии лимфоузлов (БСЛУ), обычно используются23,24. SLN является основным Лимфоузел где возможность нахождения раковые клетки является самым высоким из-за метастазирование. SLNBs связаны с парентерального введения красителя или трассирующими радиоактивных, следуют резки открытой области с небольшой разрез и затем размещения SLN визуально в случае красителей или с помощью счетчика Гейгера, в случае радиоактивного трассирующими. После идентификации несколько СЛН удаляются для гистопатологические исследования24,25. Позитивные БСЛУ указывает, что опухоль имеет метастазы на близлежащие лимфатические узлы и, возможно, в другие органы. Отрицательный БСЛУ указывает, что вероятность метастазирования является незначительным26. БСЛУ имеет многочисленные осложнения, связанные с ним как онемение руки, лимфедема,27 и т.д.для устранения осложнений БСЛУ связанные, неинвазивная изображений техника необходима.
Для сопоставления СЛН в мелких животных и людей, ПА изображений широко изучены с помощью различных контраст агентов15,28,,2930,31 , 32. Однако, систем, используемых в настоящее время не может использоваться в клинической ситуации, как отмечалось ранее. Еще одна озабоченность решаться является хирургическая процедура, участвующих в БСЛУ28. Адаптация минимально инвазивных процедур для аспирационной биопсией тонкой иглой (FNAB) необходимо сократить время восстановления и побочные эффекты пациентов. В этой работе, клинических США система была использована для комбинированных США и ПА изображений было использовано. Для удобства использования в клинической установки, пользовательские сделал ручной держатель для жилищного строительства оптического волокна и Усть был разработан. Метиленовый синий (МБ) был использован для определения и сопоставления SLNs. Кроме того, для ликвидации осложнения, связанные с БСЛУ хирургии, неинвазивная реального времени иглы отслеживания также продемонстрировал.
Protocol
Representative Results
Discussion
В настоящее время стоимость скрининга, диагностики и лечения рака является очень высокой. Существуют различные визуализации формы, которые используются для скрининга рака и диагностики. Однако много эти методы визуализации имеют ограничения включая размер громоздкие машины, инвазив?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы отметить финансовую поддержку от Tier 1 исследовательский грант, финансируемого министерством образования в Сингапуре (RG48/16: M4011617) и Tier 2 исследовательских грантов, финансируемая министерством образования в Сингапуре (см2/15: M4020238). Авторы хотели бы признать доктор Rhonnie Австрия Dienzo за его помощь с обработки животных.
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).
