Мультимодальные и обработки изображений Спектроскопия Волоконно-расслоение Microendoscopy Платформа для неинвазивного,<em> В Vivo</em> Анализ тканей
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
Последние методы microendoscopy волоконно-пучка позволяют неинвазивный анализ ткани в естественных условиях с использованием либо методов визуализации или комбинацию методов спектроскопии. Сочетание методов визуализации и спектроскопии в один оптический зонд может обеспечить более полный анализ здоровья ткани. В этой статье две разнородные формы сочетаются с высоким разрешением флуоресценции microendoscopy изображений и спектроскопии диффузного отражения, в один оптический датчик. Высокое разрешение флуоресценции microendoscopy изображений является метод, используемый для визуализации верхушечные ткани микроархитектура и, хотя в основном качественной техники, продемонстрировал эффективную дифференциацию в режиме реального времени между опухолевой и не опухолевой ткани. Диффузный отражательной спектроскопии является метод, который может извлечь ткани физиологических параметров, включая локальную концентрацию гемоглобина, концентрацию меланина, и насыщение кислородом. В данной статье описываются характеристики гequired для построения волоконно-оптический датчик, как строить измерительные приборы, а затем демонстрирует технику на коже человека в естественных условиях. Эта работа показала, что ткани микро-архитектуры, в частности, вершинные кератиноциты кожи, могут быть совместно зарегистрированы и связанные с ним физиологические параметры. Приборы и волоконно-пучка зонд, представленные здесь могут быть оптимизированы как или карманного компьютера или эндоскопически-совместимое устройство для использования в различных системах органов. Дополнительные клинические исследования необходимы для того, чтобы проверить жизнеспособность этой методики для различных эпителиальных болезненных состояний.
Introduction
Волоконно-расслоение методы microendoscopy обычно анализируют в естественных условиях ткани с использованием либо методов визуализации или комбинацию методов спектроскопии. 1-3 Один из таких методов обработки изображений с высоким разрешением флуоресценции microendoscopy, может изображение верхушечные ткани микроархитектура с субклеточном разрешением в небольшой , микромасштабная поле-обзора, с использованием местного применения контрастного агента , такого как профлавина, флуоресцеин или pyranine чернил. 1,3-11 Этот механизм визуализации показал перспективные клинические показатели в качественно дифференцировать больных и здоровых эпителиальной ткани в режиме реального времени с низким между наблюдателями вариабельность. 8 Иногда исследователи будут использовать данные флуоресцентной микроскопии высокого разрешения для извлечения количественных функций , таких как клетки и размер ядра или железы области, но это по- прежнему в первую очередь качественная методика нацелена на визуализации морфологии тканей. 1,3,8- 10 с другой стороны, методы спектроскопии, такиев спектроскопии диффузного отражения, нацелены на предоставление информации функциональной ткани и показали перспективные клинические показатели в количественном отношении выявления раковых поражений во многих органах. 2,12-15
Таким образом, существует потребность в устройстве, включающего оба типа механизмов для потенциально дальнейшего снижения изменчивости между наблюдателями, поддерживать в реальном времени визуализации тканей микроархитектуры, а также обеспечить более полный анализ здоровья тканей. Для достижения этой цели, мультимодальный зонд на основе инструмент был построен , который сочетает в себе два условия в одном оптоволоконного зонда:. С высоким разрешением флуоресценции microendoscopy и суб-спектроскопии диффузного отражения 11 Этот метод со-регистрам качественные изображения с высоким разрешением верхушечных морфология ткани (структурные свойства) с количественной спектральной информации (функциональные свойства) из двух различных глубинах тканей, включая локальную концентрацию гемоглобина ([Hb]), концентрация меланина ([Мел]), и насыщение крови кислородом (SaO 2). 11,12,16 Эта специфическая модальность отражательной спектроскопии суб-диффузная использует два источника детектора разделений (SDSS) к образцу два уникальных глубины ткани , чтобы обеспечить более полную картину здоровья ткани путем отбора проб вплоть до базальной мембраны и стромы основной ткани. 11
Волокно-зонд состоит из центрального мм диаметра 1 изображения волокна с приблизительно 50 000 4,5 мкм элементов диаметром волокна, диаметром оболочки 1,1 мм и общим диаметром покрытия 1,2 мм. Изображение волокно окружено пятью 200 мкм волокон диаметра с диаметром оболочки 220 мкм. Каждый 200 мкм многомодового волокна расположена на расстоянии от центра до центра 864 мкм, вдали от центра волокна изображения. Каждый из многомодовых волокон 200 мкм 25 ° друг от друга. Используя крайний левый 200 мкм многомодового волокна в качестве "источника" волокна, а также дополнительный тысРЗЭ 200 мкм многомодового волокна как "коллекция" волокон, эта геометрия обязательно создает три центра до центра 374 карточки безопасности мкм, 730 мкм, 1,051 мкм и 1,323 мкм. Кончики волокна заключены в цилиндрический металлический корпус, который держит расстояния между константой волокон. Диаметр цилиндрического металлического корпуса составляет 3 мм. Дистальный конец (к волоконно-оптического зонда) волоконно-оптический зонд длиной 2 фута. Зонд затем разделяется на шесть соответствующих отдельных волокон на проксимальном конце ( по направлению к измерительной аппаратуры) , которая имеет длину еще 2 фута, для общей длиной 4 фута. На рисунке 1 показано представление волоконно-оптического зонда.
Рисунок 1:. Волоконно-оптический зонд дизайн Волоконно-оптический датчик состоит из одного мм диаметра 1 волокна изображения и четыре 200 мкм многомодовых волокон. Этарисунке показаны представления (а) торцевая крышка металл , который ограничивает геометрию волокон на конце зонда с получением SDSS 374, 730 и 1051 мкм по крайней левой мкм многомодового волокна 200 (Шкала бар ≈ 1 мм), (б) волокна будучи стесненными внутри металлического колпачка, показывая сердцевинами волокон, оболочки волокна и волокна покрытия (шкала бар ≈ 1 мм), (с) защитный полиамид оплетка вокруг волокон (шкала бар ≈ 1 мм), (г ) готовый дистальный наконечник зонда, с металлическим кончиком большого пальца и одного черного кабеля , содержащего все волокна (Масштаб бар ≈ 4 мм), и (е) картина дистального конца зонда (Масштаб бар ≈ 4 мм). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Это мультимодальный приборы и связанные с ними Techniдие первое сочетание этих условий в пределах одного зонда, хотя другие комбинированные структурные / функциональные методы существуют, которые сочетают различные методы. Например, гиперспектральных изображений сочетает в себе широкие поля визуализации с количественным гемоглобина и меланина свойствами, 17,18 и другие методы были разработаны , которые сочетают оптической когерентной томографии (ОКТ) с анализом экспрессии белка ткани, 19 , чтобы назвать несколько. В этой статье отчеты о компактном и удобном для реализации установки измерительных приборов, которая использует общий волоконно-оптический датчик, который может быть оптимизирован для различных целей, в том числе эндоскопического использования в нижней части желудочно-кишечного тракта и пищевода или в качестве переносного зонда для использования в ротовой полости и внешнее размещение кожи. 11,20
Аппаратные средства для этой аппаратуры требует как пользовательские сбора данных и код постобработки для получения диффузного спектров отражения и затем извлечь в результате Volumе усредненный ткани физиологические параметры , включая [Hb], [Мел] и SaO 2. Код сбора пользовательских данных был построен, чтобы обеспечить одновременное приобретение с камеры (для высокого разрешения флуоресцентной микроскопии) и спектрометр (для спектроскопии диффузного отражения). Водители часто можно найти на сайтах производителей, чтобы обеспечить интеграцию с различными языками программирования. Код таможенный пост-обработка импортирует априорных значений поглощение в естественных условиях [Hb] и [Мел] 21 , а затем использует ранее разработанный процесс подгонки нелинейной оптимизации , который создает подогнанную кривую спектров. 22 встроенна кривая построена путем минимизации χ 2 значение между собой и необработанного спектров и определение ткани физиологических параметров ([Hb], [Мел], и SAO 2) из подобранной кривой и с наименьшим х 2 значение. 22 код может быть изменен , чтобы включитьпоглощение из других хромофоров, а, например, как экзогенного pyranine чернила, используемые здесь, так что целевые физиологические параметры не изменяются.
Физиологические показатели здоровья ткани, такие как [Hb], [Мел] и SaO 2, могут быть использованы в качестве отчетов опухолевого ответа на терапию или в качестве индикаторов местного васкуляризации и ангиогенеза. 14,23 В том числе высокого разрешения флуоресценции microendoscopy модальности помогает размещение зонда руководство и обеспечивает следователям более полную картину взаимосвязи между структурой эпителиальной ткани и функции. В этой статье, строительства и применения мультимодальных microendoscope описана. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Мультимодальных изображений с высоким разрешением и суб-спектроскопии диффузного отражения волоконно-пучок microendoscope сообщили здесь могут быть оптимизированы и использоваться исследователями для различных применений, включая эндоскопические или портативного использования для ч…
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).
