Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Medicine

In Vivo, perkutan, Needle Based, optisk koherens tomografi av Renal Masses

doi: 10.3791/52574 Published: March 30, 2015

Introduction

De senaste decennierna har visat en stadig ökning av incidensen av njur massorna 1,2. Hittills har njurbehandlingsbeslut mass gjorts främst på grundval av MRI och CT imaging egenskaper, ålder och komorbiditet. Men dessa diagnostiska metoder och kliniska parametrar saknar finess att verkligen upptäcka malignt potentialen hos en njurmassa. En kärna biopsi eller finnålsaspiration med tillräcklig vävnad för patologisk utvärdering (diagnostik) ger objektiv tumördifferentiering med både känslighet och specificitet i intervallet 95-100% 3. Därför biopsi vinner acceptans i utvärderingen av misstänkta njur massorna 4,5. Men att biopsier utan tillräcklig vävnad etablera en diagnos eller med normal njurparenkym (icke-diagnostisk) uppträder med en hastighet av 10-20% totalt, och även upp till 30% i små njurmassor (<4 cm, specificerat riskmaterial), fördröja den diagnostiska processen på grund av den täta nödvändighet för ytterligarebiopsiförfaranden 3,5.

Optisk koherens tomografi (OCT) är en roman avbildningsmodalitet som har potential att övervinna de ovannämnda hindren i njurmass differentiering. Oktober Baserat på bakåtspridning av nära infrarött ljus, ger bilder med en 15 nm axiell upplösning på en effektiv vävnadspenetration av 2-3 mm (figur 1, 2). Förlusten av signalintensitet per millimeter av vävnadspenetration, en resulterande vävnadsspecifika ljusspridning, är uttryckt som dämpningskoefficienten (μ oktober: mm -1) såsom beskrivits av Faber et al 6.. Histologiska egenskaper kan korreleras till μ oktober värden som tillhandahåller en kvantitativ parameter för vävnadsdifferentiering (Figur 3).

Under cancer, maligna celler visar ett ökat antal, större och mer oregelbundet formade kärnor med ett högre brytningsindex och mer aktiva mitokondrier. På grund av detta överuttryck av cellkomponenter, är en förändring i μ oktober kan förväntas när man jämför maligna tumörer med godartade tumörer eller opåverkad vävnad 7.

Nyligen vi studerade förmåga ytliga ULT skilja mellan benigna och maligna njur massorna 8,9. I 16 patienter, var intraoperativa oktober mätningar av tumörvävnad som erhållits med hjälp av en externt placerade oktober sond. Kontrollgruppen består av oktober mätningar av opåverkad vävnad i samma patienter. Normal vävnad visade en signifikant lägre mediandämpningskoefficient jämfört med malign vävnad, vilket bekräftar potentialen av OCT för tumördifferentiering. Denna kvantitativa analysen har tillämpats på ett liknande sätt att klassificera andra typer av malign vävnad, såsom uroteliala carcinoma 10,11 och vulva epitelial neoplasi differentiering 12.

ent "> Vi strävar efter att utveckla ULT till en optisk biopsi, ger realtids avbildning i kombination med den plats tumördifferentiering. Målet med den aktuella studien är att beskriva en perkutan, nål baserad, OCT förhållningssätt till patienter diagnostiserade med en fast förstärkande renal massa. Denna metod beskrivningen är, så vitt vi vet, den första att bedöma möjligheten att nålen baserade ULT njurtumörer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Den presenterade förfarande sker under ett forskningsprotokoll som godkänts av Institutional Review Board av Academic Medical Center i Amsterdam, registreringsnummer NL41985.018. Skriftligt informerat samtycke krävs från alla deltagare.

1. System

  1. För detta experiment, använd en Fourierdomänen OCT-system, som arbetar vid en 1,280-1,350 nm våglängdsband 13. Fourierdomänen låg samstämmighet interferometri möjliggör kontinuerlig scanning som ökar datainsamling hastighet jämfört med de första generationens tidsdomän oktober system. Obs! Oktober Systemet har ett gränssnitt med en fiberoptisk sond, skanning spiralformigt vid ~ 90 ° vinkel. Den har en ytterdiameter på 2.7F (0,9 mm) och en införbar längd av 135 cm. Sonden ansluter till ULT-konsolen via en drivmotor och optisk styrenhet (monterings docka) med ett tillbakadragande rad 54 mm. De förvärvade oktober dataset består av 541 tvärsnittsbilder (B-magnetkamera) wed en axiell upplösning på 15 nm (Figur 1, 2).
  2. För att garantera noggranna och reproducerbara mätningar dämpnings, kalibrera genom att mäta μ oktober för ökande koncentrationer baserade på viktprocent av en fettemulsion, (t.ex. Intralipid) såsom tidigare beskrivits av et al. Kodach 14, 15.
    Kort sagt:
    1. Späd en vanlig sats av 20% fettemulsion med avsaltat H2O för att uppnå koncentrationer av 0,125, 0,250, 0,5, 1,0, 2,0, 4,0, 10, 15 och 20 (lager) procent.
      1. Placera ULT sonden i 200 ml fettemulsion blandning och skaffa ett ULT mätning.
      2. Korsreferens extraherade μ oktober värden med kända värden i litteraturen.

2. Time Out och patientpositionerings

  1. Före start av proceduren, utför en "time out" kontrollera namn, födelsedatum, förfarande, procedural sidan, antikoagulerande användning, och allergier.
  2. Beroende på tumörens läge, placera patienten i antingen liggande eller lateral trycksår ​​position. Ge patienten adekvat stöd och verifiera om han / hon förväntar sig att vara bekväm i denna position under en 20 till 40 minuters period.
  3. Med ultraljud (US) 16, lokalisera tumören och markera nålen ingång på huden med permanent bläck.
    OBS: När du använder datortomografi (CT), använd en flexibel mall nål vägledning för att lokalisera önskad position åtkomst nålen.

3. Desinfektion och Steril Drapering

  1. Sätt på en kirurgisk mössa och munskydd.
  2. Rengör huden runt stickstället med hjälp av en klorhexidin / alkohollösning, noga med att inte ta bort den tidigare placerade nålen posten märke (steg 2,3). Desinficering ett stort område kommer att förhindra behovet av extra städning vid oväntad tillgång nål ompositionering.
  3. Med rEgard av den sterila innehåll, öppnar perkutan punktion set innehåller: en 10 ml spruta, en trubbig aspiration nål, en 21 G injektionsnål, en skalpell, en 15 G koaxial införingsnål, en 18 G troakar nål och en 16 G core biopsi pistol.
  4. Tvätta händerna noggrant, applicera handdesinfektion efteråt. Sätt på en operationsrock och sterila handskar.
  5. Täck patienten i sterila dukar.
  6. Applicera ett sterilt omslag runt ultraljudssonden och fixa nålen guiden på plats.

4. oktober Framställning

  1. Starta ULT konsolen och ange patientuppgifter inom områdena märkta patient-ID, efternamn, förnamn och DOB (födelsedatum) med konsolen gränssnittet.
  2. Beträffande den sterila innehåll, packa ULT-paketet innehåller ett ULT sond, ett sterilt montering docka omslag, och en 5 ml luer-lock spruta.
  3. Applicera den sterila locket till ULT konsolen monteringsdocka. Vägledande den osterila montering docka kräver atthjälp av en assistent.
  4. Fyll 5 ml spruta med 0,9% NaCl och bifoga det till spolnings porten. Spola ULT sonden tills vattnet visas i distala delen av sondskyddet.
  5. Ladda ULT sonden i monterings dockan. Efter att ha laddat sonden kommer att rotera och avger rött ljus som bekräftar fungera. Låt proben i sitt skyddskåpan under spolning och laddning för att minimera risken för skador.
  6. Ta ULT sonden från omslaget. Placera sonden på en hård yta och använda en skalpell för att förkorta spetsen. Fäst den distala delen av sonden under skärning i syfte att minimera trycket på den optiska fibern och prisma. Skär 5 mm distalt från prisma, med hjälp av utsända (rött) ljus för orientering.

5. Punktering

  1. Söva huden och djupa lager med 2% lidokain (20 mg / ml). Vänta flera minuter som möjliggör lidokain ska börja gälla. Be patienten om det finns någon smärta.
  2. Med hjälp av nålen guide, placera15 G koaxiell införingsnål verifiera positionen genom avbildning. Om placeringen är tillfredsställande, ta obturatorn (vass nål core).
  3. Placera 18 G trokar nål genom införingsnål, piercing tumören. Återigen kontrollera positionen av nålen med avbildning. Om placeringen är tillfredsställande avlägsna obturatorn.
  4. Mata ULT sonden upp troakaren nålen tills känslan motstånd.
  5. Medan fastställande ULT sonden, dra troakaren ålen, utsätta ULT sonden till tumörvävnad. Att hålla spetsen på troakaren nålen inuti tumören minimerar kinkning av oktober sonden under andningscykler. Detta minskar risken för sondskador.
  6. Oktober Scan:
    1. Utför ett ULT scan, med konsolen inställd på 541 B-skanningar per dataset. OCT-systemet som används här kommer att utföra en automatiserad pullback över en längd av 5,4 cm kräver inga särskilda parameterjusteringar.
    2. Kontrollera skannings för kvalitet, artefakter och uppkomsten av fast vävnad (Figur 1A). Artefakter visas oftast som cirkulära band står ut från det normala mönstret OCT (Figur 1B).
    3. Byt ut sonden om artefakter kvarstår efter återskanna.
  7. Upprepa steg 5,6 tills minst 3 oktober dataset förvärvas.
  8. Ta ULT sonden och trokar nål, lämnar införålen på plats.
  9. Beväpna kärnan biopsi pistol och placera den genom införingsnål, kontrollera positionen på avbildning.
  10. Om placeringen är tillfredsställande, avfyra biopsi pistol.
  11. Placera biopsimaterial i behållare enligt protokoll patologi avdelningen. Här, placera biopsier på en petriskål med en pappersinlaga, mättade tillräckligt med 0,9% NaCl.
  12. Kontrollera kärnan biopsi kvalitet och upprepa steg 5,9 och 5,10 tills tillräckligt material erhålls.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bland de första 25 tumörer (23 patienter), har totalt 24 framgångsrika oktober procedurer utförs. I ett fall en sond fel ledde till oförmåga att skaffa ett ULT scan. Två biverkningar (AE) inträffade, som beskrivs i detalj i diskussionsavsnittet. Allmänna patientkarakteristika finns i tabell 1.

OCT konsolen har förinstallerad programvara som ger realtids oktober bilder för omedelbar kvalitativ analys av förvärvade datamängder. För ytterligare mätningar analys och dämpning, kan ULT uppgifter exporteras som rådata, TIFF, DICOM eller AVI-format. Kvantitativ analys av μ oktober i ULT uppgifter görs med egenutvecklad mjukvara.

Använda planimetrisk mjukvara, är en 3D-volym återges från de uppgifter (Figur 2A). Detta ger en 3D översikt av den skannade bana med möjlighet att orthoslicing längs tre axlar. Den visade dataset in Figur 2 visar god kvalitet över hela tillbakadragande längd. Kan göras en tydlig visuell skillnad mellan fast vävnad (Figur 2B - C), perirenalt fettvävnad (Figur 2D) och insidan av trocarens nålen. Exporterade TIFF-filer laddas in en ImageJ baserad mjukvarupaket som kan visas i 2D genom att bläddra igenom de staplade B-skanningar. Kombinera 2D och 3D-visualisering av ULT dataset ett område av intresse (ROI) är vald.

Inom ROI jämnt fördelade B-skanningar väljs (Figur 2, 3). Inom respektive B-skannar dämpningskoefficienten bestäms längs en ​​rak linje som strålar utåt från hjärtat av sonden (Figur 3A, D). Den ImageJ baserat programpaket har möjlighet att plotta datapunkterna längs dämpningslinjen i en graf. Lutningen av det visade diagrammet representerar dämpnings koeff icient (figur 3B, E).

Genom att korrelera dämpningsmätningar till histopatologi resultat (figur 3C, F), kan vävnadsspecifika gränsvärdena härledas tillhandahålla medel för tumördifferentiering.

Figur 1
Figur 1: (A) Oktober B-scan av fast vävnad. B) Okt B-scan med cirkulär artefakt.

Figur 2
Figur 2: (A) 3D-volym återges från 541 staplade B-skanningar. (B - C) Valda B-skanningar visar fast vävnad, vilket indikerar framgångsrika oktober sondplacering. (D) Vald B-scan visar perirenalt fettvävnad.

ove_content "fo: keep-together.within-page =" always "> Figur 3
Figur 3: oktober analys och korrelation av en tydlig cell njurcellscancer (A - C) och en oncocytoma (D - E). Plotta punkter längs den markerade linjen (A, D) ger de avbildade grafer (B, E). Lutningen av graferna representerar dämpningskoefficienten. Därefter är dämpningskoefficienten korrelerad till patologin prov från samma plats (C, F) i syfte att härleda vävnadsspecifika cut-off-värden.

Patient nr 23
Tumör No. 25
Ålder (år): AVG (intervall) 63,7 (32-83)
Max tumor diameter (cm): AVG (intervall) 3,5 (1,4-7,5)
Kön
Man (%) 17 (68)
Kvinna (%) 8 (32)
Tumör sida
Vänster (%) 15 (60)
Höger (%) 10 (40)
Tumörplats
Helt ovanför övre polar linje eller under nedre polär linje (%) 8 (32)
Kors polära linjen (%) 9 (36)
> 50% över polar rad eller korsar axiella mittlinjen eller mellan polära linjer (%) 8 (32)
Exophytic / endofytisk egenskaper
≥50% exophytic (%) 10 (40)
<50% exophytic (%) 14 (56)
Helt endofytisk (%) 1 (4)

Tabell 1: Patient egenskaper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denna publikation rapporterar vi om genomförbarheten av perkutan, nål baserad, OCT i njuren. Detta är ett viktigt första steg i utvecklingen av ULT till ett kliniskt tillämplig teknik för tumördifferentiering, betecknas som en "Optical Biopsi". Våra första 25 patienterna har visat perkutan ULT vara en enkel och säker procedur. En optisk biopsi har två fördelar jämfört med konventionella kärn biopsier. Först kommer realtid insamling och analys av oktober data ger omedelbara diagnostiska resultat, jämfört med de 5-10 dagarna av handläggningstiden för konventionell patologi. För det andra, har oktober potential att minska mängden icke-diagnostiska metoder, vilket är 20% för konventionella biopsier. När ett ULT scan avslöjar perirenalt fett eller opåverkade renal vävnad (icke-diagnostiska resultat) ULT operatören kan flytta ULT sonden att framgångsrikt rikta tumören.

Två biverkningar (AE) inträffade bland de första 25 patienterna. Denförsta AE var efterprocedur hypotension, hos en patient med kända episoder av hypotension, som försvann efter vila och 0,9% NaCl infusion.

I den andra AE ett fragment av oktober sondspetsen skjuvas av. Begära patienten att hålla andan under mätningarna uppmanas djup inspiration. Överdriven njure rörelsen orsakat ULT sonden att trassla och därefter klippa av på kanten av trocarens nålen. En sond fragment av 1-2 mm kvar på plats, men orsakade inga problem eller obehag. Denna AE skedde under ULT förfarandet av patient nummer 10. I följande patienter spets trokarens nålen hålls inom tumören (protokollsteg 5.5) minimera snor i ULT proben, på kanten av trokarens nål, under andning cykler. Denna ändring av ULT förfarande har visat betydligt mindre stress på ULT sonden. Det krävs dock ytterligare prospektiv utvärdering.

Den oktober prob som användes i denna studie är utformadför intravaskulär avbildning av hjärtats kranskärl. Möjligheten att automatiserade pullback skanning kombinerat med 2,7 F (0,9 mm) i diameter gör denna sond lämplig för nål baserade ULT njurtumörer. Emellertid, den ömtåliga karaktären hos den optiska fibern och prismat fuserad till den distala spetsen gör sonden känslig för skador. I 3 fall, sond manipulation under förfarandet orsakat sond misslyckande, i 1 fall innan ett ULT dataset kan förvärvas. Mikroskopisk inspektion av prismat visade inga avvikelser, gör en paus i den optiska fibern den mest sannolika orsaken till misslyckande.

Kvantitativ dataanalys kräver härledning av vävnadsspecifika dämpnings cut-off värden. Detta ger möjlighet för objektiv vävnadsdifferentiering. Vår hypotes är att ULT kunna skilja mellan benigna och maligna lesioner och därefter mellan de tre huvud maligna subgrupper av njurcancer. För närvarande är dämpningsvärden beräknas manuellt frånutvalda områden av intresse, vilket är en tidskrävande process. Vi har utvecklat mjukvara för automatiserad dämpning beräkning. Detta minskar mellan och inom observatörs variabilitet på ROI val, snabbar upp analysprocessen och ökar antalet mätningar per dataset. Integrationen av denna programvara för omedelbar dämpningskoefficient beräkningen i ULT konsolen är ett nödvändigt framtid steg i utvecklingen av en fullt fungerande och kliniskt tillämplig optisk biopsi teknik.

Dessutom är det nödvändigt med en kvalitativ analys protokoll. Intra-procedur erkännande av funktioner i opåverkad vävnad (dvs. erkännande av perirenalt fett) kan föranleda oktober sond ompositionering, minska antalet icke-diagnostiska förfaranden. Dessutom behövs kvalitativ analys för att välja en ROI för dämpningskoefficient beräkning. För närvarande utvecklar vi ett protokoll som består av fördefinierade visuella aspekter som görs. När sufficient dataset förvärvas kommer förblindade observatörer validera detta protokoll.

Framgången för njurmassbehandlingsstrategier bygger på noggrann avgränsning och profilbestämning, med smarta dosplanerings protokoll och realtidsidentifiering (subtyp och betygssättning) och uppföljning av lesionen. Båda uppföljningsstrategier och realtidsidentifiering av en skada är otillfredsställda utmaningar med nuvarande diagnostiska tekniker. Oktober i form av en optisk biopsi har potential att uppfylla dessa krav, ger minimal invasiv analys av cancer relaterad förändring av optiska egenskaper och förändringar i tissuearkitekturen dvs visuell detektion av strukturerna i ULT bilden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
15 G/7.5 cm Co-Axial Introducer Needle Angiotech, Gainesville, USA MCXS1612SX
18 G/20 cm Trocar Needle Cook medical, Bloomington, USA DTN-18-20.0-U
16 G/20 cm Quick-Core Biopsy Gun Cook Medical, Bloomington, USA G07827
Ilumien Optis PCI Optimization System (OCT & FFR) St. Jude medical, St. Paul, USA C408650 Part of Dragonfly Kit.
St. Jude medical, St. Paul, USA. (C4088643)
Dragonfly Duo Imaging Catheter LightLab Imaging, Westford, USA C408644 Part of Dragonfly Kit.
St. Jude medical, St. Paul, USA. (C4088643)
Sterile Dock Cover CFI Med. Solutions, Fenton, USA 200-700-00 Part of Dragonfly Kit.
St. Jude medical, St. Paul, USA. (C4088643)
5 ml Luer-lock Syringe Merit Med. Syst., South Jordan, USA C408647
10 ml Syringe BD, Franklin Lakes, USA 300912
18 G Blunt Fill Needle BD, Franklin Lakes, USA 305180
21 G Injection Needle BD, Franklin Lakes, USA 301155
Sterile scalpel BD, Franklin Lakes, USA 372611
NaCl 0,9% solution Braun, Melsungen AG, Germany 222434
Lidocaïne HCl 2% (20 mg/ml) solution Braun, Melsungen AG, Germany 3624480
Sterile Ultrasound Gel, Aquasonic 100 Parker Lab. Inc., Fairfield, USA GE424609
Sterile Ultrasound Cover Microtek Med., Alpharetta, USA PC1289EU
Pathology Container
AMIRA software package FEI Visualization Sciences Group, Hillsboro, USA Software platform for 3D data analysis
FIJI software package (open source) Open source, http://fiji.sc/Fiji Open source image processing software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Jemal, A., Siegel, R., Xu, J., Ward, E. Cancer statistics, 2010. CA Cancer J. Clin. 60, 277-300 (2010).
  2. Mathew, A., Devesa, S. S., Fraumeni, J. F., Chow, W. H. Global increases in kidney cancer incidence, 1973-1992. Eur. J. Cancer Prev. 11, 171-178 (2002).
  3. Volpe, A., et al. Contemporary management of small renal masses. Eur. Urol. 60, 501-515 (2011).
  4. Ljungberg, B., et al. EAU guidelines on renal cell carcinoma: the 2010 update. Eur. Urol. 58, 398-406 (2010).
  5. Donat, S. M., et al. Follow-up for Clinically Localized Renal Neoplasms. AUA Guideline, J. Urol. 190, 407-416 (2013).
  6. Faber, D. J., van der Meer, F. J., Aalders, M. C. G., van Leeuwen, T. G. Quantitative measurement of attenuation coefficients of weakly scattering media using optical coherence tomography. Optics Express. 12, 4353-4365 (2004).
  7. Xie, T. Q., Zeidel, M. L., Pan, Y. T. Detection of tumorigenesis in urinary bladder with optical coherence tomography: optical characterization of morphological changes. Optics Express. 10, 1431-1443 (2002).
  8. Barwari, K., et al. Differentiation between normal renal tissue and renal tumours using functional optical coherence tomography: a phase I in vivo human study. BJU. Int. 110, E415-E420 (2012).
  9. Barwari, K., et al. Advanced diagnostics in renal mass using optical coherence tomography: a preliminary report. J. Endourol. 25, 311-315 (2011).
  10. Cauberg, E. C., et al. Quantitative measurement of attenuation coefficients of bladder biopsies using optical coherence tomography for grading urothelial carcinoma of the bladder. J. Biomed. Opt. 15, 066013 (2010).
  11. Bus, M. T., et al. Volumetric in vivo visualization of upper urinary tract tumors using optical coherence tomography: a pilot study. J. Urol. 190, 2236-2242 (2013).
  12. Wessels, R., et al. Optical coherence tomography in vulvar intraepithelial neoplasia. Journal of Biomedical Optics. 17, (2012).
  13. Yun, S. H., Tearney, G. J., de Boer, J. F., Iftimia, N., Bouma, B. E. High-speed optical frequency-domain imaging. Optics Express. 11, 2953-2963 (2003).
  14. Kodach, V. M., Kalkman, J., Faber, D. J., van Leeuwen, T. G. Quantitative comparison of the OCT imaging depth at 1300 nm and 1600 nm. Biomed. Opt. Express. 1, 176-185 (2010).
  15. Kinkelder, R., de Bruin, D. M., Verbraak, F. D., van Leeuwen, T. G., Faber, D. J. Comparison of retinal nerve fiber layer thickness measurements by spectral-domain optical coherence tomography systems using a phantom eye model. J. Biophotonics. 6, 314-320 (2013).
  16. Baxter, G. M., Sihdu, P. S. Ultrasound of the Urogenital System. Thieme Medical Publishers Inc. New York, United States. (2006).
<em>In Vivo,</em> perkutan, Needle Based, optisk koherens tomografi av Renal Masses
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wagstaff, P. G., Swaan, A., Ingels, A., Zondervan, P. J., van Delden, O. M., Faber, D. J., van Leeuwen, T. G., de la Rosette, J. J., de Bruin, D. M., Laguna Pes, M. P. In Vivo, Percutaneous, Needle Based, Optical Coherence Tomography of Renal Masses. J. Vis. Exp. (97), e52574, doi:10.3791/52574 (2015).More

Wagstaff, P. G., Swaan, A., Ingels, A., Zondervan, P. J., van Delden, O. M., Faber, D. J., van Leeuwen, T. G., de la Rosette, J. J., de Bruin, D. M., Laguna Pes, M. P. In Vivo, Percutaneous, Needle Based, Optical Coherence Tomography of Renal Masses. J. Vis. Exp. (97), e52574, doi:10.3791/52574 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter