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Bioengineering

휴대용 임상 Photoacoustic 실시간 비-침략 적 작은 동물 이미징을 위한 이미징 시스템

doi: 10.3791/56649 Published: October 16, 2017

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

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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, 1,2, 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, 10,11,12, 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, 에서 생 수 있습니다. 내 생 명암은 충분히 강하지 않다, exogenous 대비 요원 같은 유기 염료, 나노 입자, 양자 점, 16,17,,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, 27 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.

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Protocol

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모든 동물 실험 난 양 기술 대학교, 싱가포르의 기관 동물 관리 및 사용 위원회에 의해 승인된 지침 및 규정에 따라 수행 했다 (동물 프로토콜 번호 ARF-SBS / NIE-A0263).

1. 휴대용 실시간 임상 PA와 미국 이미징 시스템

  1. 휴대용 임상 파이 시스템 33의 회로도 그림 1a에 표시 됩니다. 그것은 이루어져 있다 주파수 배 나노초 펌프 펄스 nd: yag 레이저, 분기 광학 섬유 번들 ( 그림 1b)에 의해 펌핑 옵티컬 파라메트릭 발진기 (OPO) 레이저, 맞춤 3D 핸드헬드 프로브 홀더 (인쇄 그림 1 c) 33, 임상 듀얼 모달 미국 펜 실바 니 아 시스템, 그리고 임상 호환 선형 배열 UST (재료의 표 참조).
  2. 바탕 화면에서 소프트웨어에 대 한 아이콘을 클릭 하 여 임상 미국 시스템에는 제조업체에서 제공 하는 소프트웨어 실행.
  3. 터치 스크린에서 선택 된 ' 연구 ' 연구 모드에서 미국 시스템을 작동 하는 버튼. 미국 및 스크립트 목록에서 스크립트를 이미지 하는 PA는 결합에 클릭 하 고 결합된 모드에서 이미지에 대 한 실행된 버튼을 클릭 합니다.
  4. 밖으로 레이저 트리거를 사용 하 여 또는 사용 하는 포토 다이오드 레이저 임상 미국 시스템 동기화.
    주:에서 미국 시스템 동기화 레이저에서 밖으로 고정된 동기화를 연결 합니다. 동기화 신호 긍정적인 트랜지스터-트랜지스터 논리 (TTL) 신호를 제공 해야 합니다. 포토 다이오드 신호 동기화 목적을 위해 사용할 수 있습니다. 미국 시스템 동기화에는 포토 다이오드 바이어스 모듈을 사용 하 여 포토 다이오드 발견자에 연결 된다. 레이저에 때마다 광다이오드 신호 하 고 레이저와 미국 시스템 동기화를 제공 합니다. 때마다가이 단계를 수행.
  5. 레이저, 설정 하려면 AC 전원으로 전환 하 고 레이저 컨트롤러에 왼쪽에 키. 반복을 확인 한 후 레이저를 시작 속도가 10 Hz (F10 디스플레이에 표시 됩니다) 낮은 레이저 에너지를 위해 Q-스위치 지연 낮은 170 µs 이며. 지연을 설정 하려면 지연 값 및 170 증가 볼 때까지 선택 키를 누릅니다.
    참고: 레이저 따뜻한 습에 약 20 분 걸립니다
  6. 컴퓨터에 소프트웨어 인터페이스를 열고에서 goto 메뉴 입력 파장 675 및 보도 ' 시작 ' 675에서 파장을 설정 버튼 nm.
    그러나 참고: 레이저 조정 될 수 있다 670에서 2, 500 nm,, 그것은 안정 670 nm.
  7. 셔터 버튼 누르고 설정 레이저 정렬 입력 섬유를 레이저 빔 스위치를 사용 하 여.
  8. 그런 모든 빛 섬유 입력된 끝에 떨어지는 초점 거리 15mm, 초점 레이저 빔 섬유 번들의 1 인치 (2.5 cm) 직경 렌즈 볼록 렌즈를 사용 하 여.
    참고: 광학 섬유는 1600 작은 섬유 함께 번들로 제공. 그것은 800 광학 섬유는 2 개의 직사각형 출력 끝과 중간에 분기. 800 섬유는 UST의 크기와 일치 하도록 0.1 x 4 cm의 면적으로 포장 됩니다. 각 광섬유의 코어 직경은 0.22의 숫자 조리개와 185 µ m.
  9. 정렬 후 레이저 끄고.
  10. 조명 (0 °, 5 °, 10 °, 15 °)의 서로 다른 각도와 4에서 프로브 홀더 선택 응용 프로그램 (이미징, 개체의 크기, 개체의 모양 및 개체의 위치 깊이)에 따라 적절 한 프로브 홀더.
    3D 인쇄 실험실과 참고: 프로브 홀더 설계 되었습니다. 그것은 3 개의 슬롯, 2 분기 광학 섬유와는 UST에 대 한 중앙 하나 있다. 프로브 홀더의 치수는 광학 섬유와는 UST의 크기에 근거 했다. 몬테카를로 시뮬레이션은 빛 조명 높은 깊이에서 SLNs 이미징에 필요한 연구를 완료 했다. SNR 15 ° 33의 조명에 대 한 더 낮은 깊이에서 높았다.
  11. 15˚의 빛 조명 각도에서 3D 인쇄 프로브 홀더 분기 광섬유 맞지.
  12. 소유자의 센터 슬롯에 삽입은 UST.
    참고: 그림 1 d 광섬유와 UST 프로브 홀더의 사진을 보여줍니다. 선형 배열 UST 128 배열 요소가 있다. 중심 주파수는 UST의 8.5 m h z 이며 소수 대역폭은 95% 이다. 고 우 스 트의 길이 3.85 cm입니다. 그러나, 시스템만 64 병렬 데이터 수집 하드웨어 있으며 두 레이저 펄스 모든 128 요소에서 데이터를 수집 합니다. 따라서, 시스템의 효과적인 프레임 속도 두 번째 34 초당 5 프레임은 레이저의 절반 펄스 반복 속도.
  13. 측면에 나사를 느슨하게 하 여 고 우 스 트와 1 cm 섬유 끝 사이의 거리를 조정 하 고 정확한 거리 조절 후 그것을 강화.
    참고: 매개 변수 시뮬레이션 및 가상 실험 33 이미징 SLN 최적화 됩니다. UST 프로브 홀더에 2 개의 나사와 보안 될 수 있습니다. 이 광학 섬유와 고 우 스 트 사이의 거리를 유연성을 제공.
  14. 스위치에 넣으면 앞 자리 레이저 및 직사각형 레이저 빔을 얻을 수 있는지 확인 하십시오.
  15. 스위치 레이저에서. 레이저 에너지 (증가 지연 증가) 원하는 값을 이미징 목적.
    참고: nd: yag 레이저에 대 한 설정할 수 있는 최대 지연에 대 한 설명서를 참조 하십시오. SLN 이미징이 시스템에 대 한 원하는 지연 값 210로 설정 했다.

2. 해상도 특성화

  1. 시중 치킨 조직 슬 래 브 하 고 6 x 6 cm 2 슬 래 브에 그것을 잘라. 0.5 cm 두꺼운 조각으로 잘라 칼을 사용 하 여.
  2. 닭 가슴살 조직 위에 0.6 m m 직경의 23 G 바늘 처럼 포인트 개체 배치.
  3. 스위치에 레이저.
    주의: 프로토콜의 나머지 부분에 대 한 레이저를 작업할 때 안전 고글 착용 되어야 한다. 이후 레이저 에너지 약한 정렬 하는 동안 예외가 되었다.
  4. 여러 닭고기를 스태킹 하 여 다른 깊이에 바늘의 걸릴 PA 이미지 적용 미국 젤 3 cm. 우리 커플링을 개선 하기 위해 닭 가슴살 조직 층 사이 최대 두께 0.5 cm 하나 하나 조직 조각을 유 방.
  5. 저장 하 고 빔 형성 된 이미지를 저장 하는.mat 파일.
  6. 끄고 레이저.
  7. 이미지 프로세싱 소프트웨어 17를 사용 하 여 내부 코드와 데이터 처리.
    참고: 축과 측면 해상도 확인 하려면 각 방향에 따라 표준화 된 PA 신호에서 포인트 확산 함수 찾아서 가우스 분포 함수 17에 적합. 절반 최대에 가득 차 있는 폭을 가져옵니다. 포인트 확산 기능을 얻기 위해 포인트 이미지 필요 합니다. 그러나, (와 우리의 경우에, 아주 작은 포인트 대상에 대 한 신호는 매우 작은 우리 따라서 약간 더 큰 목표를 사용 하 여) 포인트 대상 이미징 하는 것이 어려울 경우 포인트 확산 기능을 얻기의 다른 방법이 있다. 대상이 큰 경우 직접 대신 기능 확산 포인트를 지 고, 하나는 가장자리 확산 기능을 얻을 수 있습니다. 다음 가장자리 확산 함수의 첫 번째 파생물을 복용 한 포인트 확산 기능을 얻을 수 있다. 따라서, 그것은 절대적으로 필요한 대상을 사용 하는 포인트 계산 해상도 22.

3. SLN 이미징에 대 한 동물 준비

< p class = "jove_con텐트 "> 참고: 위에서 설명한 휴대용 임상 이미징 시스템은 작은 동물 SLN 이미징에 대 한 시연 했다. 실험, 6에 8-1 주일-오래 된 건강 하 고, 여성 쥐 (NTac:Sprague Dawley, 220 ± 30 g) 조달 했다. 여성 쥐 남성 쥐에서 유방암의 발생은 덜 자주 때문에 사용 됩니다. 그러나, 남성 쥐 연구에 대 한 또한 사용할 수 있습니다. 또한, 문학, 여성 쥐에 사용은 더 널리 SLN 이미징에 대 한.

  1. 쥐 anesthetization
    1. 이미징, 전에 anesthetize 마 취 해결책으로, 케 타 민 (100mg/mL), xylazine (20 mg/mL), 및 2의 비율에 주사 염 분의 칵테일 포함 쥐: 1:1. 무 균 수술 1 mL 주사기 바늘 (27 G, ½ 인치) 동물 체중 100 g 당 칵테일의 0.2 mL 추가.
    2. 아저씨 손으로 쥐의 목 알코올 면봉으로 복 부의 오른쪽 아래 사분면을 소독 하 고. 동물의 시체에 주입 마 취 솔루션.
    3. 발가락 핀치에 반사에 대 한 확인 하 여 동물 anaesthetized은 보장.
  2. SLN에 대 한 이미징, 상업적으로 이용 가능한 제 모 크림으로 부드럽게 관심 영역에서 제거 머리. 필요한 만큼 사용 하 여 영역을 완전히 커버. 응용 프로그램의 3-5 분 후 젖은 면봉으로 크림을 제거 합니다. 건조, 실수로 레이저 손상 으로부터 눈을 방지 하기 위해, 인공 눈물 연 고를 적용.
  3. 장소 블루 테이블에 underpad을 그것에 옆으로 동물. 실험 하는 동안 마 취 동물을 유지 하기 위해 흡입 마 취 코 콘 (산소 (1.2 L/min) 함께 isoflurane의 0.75%)을 통해 관리 합니다. 심장 박동 및 실험을 통해 주변 산소 포화를 쥐의 뒷 발에 펄스 속도도 클립.
    참고: 동물은 따뜻한 동물 사용에 대 한 승인 난방 패드를 사용 하 여 있는지 확인 하십시오.

4. Vivo에서 쥐의 SLN 이미징

  1. 이미징, 전에 미국 젤의 0.5 ~ 1 mL 주사기를 사용 하 여 피부에 적용 하 고 잘 주걱을 사용 하 여 그것을 확산. 이미징 영역에 크기 6 cm x 6 cm의 0.5 c m 두께 닭 가슴살 조직 슬라이스를 배치 하 고 커플링을 개선 하기 위해 치킨 조직에 더 많은 미국 젤을 적용.
    참고: LNs는 쥐에서 (2-3 m m) 이내에 피부 아래에 있습니다. 인간에서는, LNs 깊이 1 cm. 따라서, 치킨 티슈는 인간의 이미징 시나리오를 모방 하는 쥐의 이미징 영역에 배치 됩니다. 또는 조직 팬텀을 흉내 낸 치킨 조직 대신 사용할 수 있습니다.
  2. 스위치 레이저에. 닭고기 조직 및 스캔 위에 휴대용 프로브 홀더를 배치 it (오른쪽에서 왼쪽으로 이동 홀더) 결합 된 미국 및 PA 모드에서.
    참고: 레이저 광선의 지역 약 3 c m 2 이며 fluence 약 8 mJ/cm 2, 미국 국립 표준 협회 (ANSI) 안전 제한 (20 mJ/cm 2) 보다 작습니다 계산 35 . 이미지 깊이 임상 미국 시스템에서 2 cm로 설정 됩니다. 안전 고글을 착용 하 여 항상 때 레이저 켜져에 한다.
  3. PA 이미징에 대 한 이미징 깊이 2 cm 설정.
  4. 대조 대리인의 주입 전에 휴대용 프로브 좌우로 이동 하 여 흉부 영역에서 앞 다리 위에 관심 영역의 컨트롤 이미지를 얻을.
    참고: 데이터 빔 형성 데이터에 저장 됩니다 모든 추가 처리를 위해 입력.
  5. 대조 대리인의, (, MB (10 mg/mL)) 동물의 forepaw에 0.2 mL를 주사 하 고 2 분 통해 림프 혈관 림프절에 대비 에이전트 움직임을 촉진 하기 위해 잘 그것을 마사지.
  6. PA 신호의 도움으로 SLN을 찾으려고 치킨 조직 따라
  7. 검색 핸드헬드와 5 분 후 조사.
    참고: 모든 프레임 빔 형성 데이터 형식에 저장 됩니다.
  8. 클릭는 ' 동결 ' 미국 시스템에 클릭 컨트롤에서 단추는 ' 내보내기 선택한 프레임 ' 터치 스크린 모니터 기록 된 데이터를 내보낼 단추.
    참고: 데이터는 다른 형태로 저장할 수 있습니다 즉, 빔 형성, 스캔 변환, 채널, 그리고 지능
  9. 0.5 cm 두꺼운 치킨 조직 조각 하나에 의해 동물의 위에 2 더 많은 레이어를 추가 하 고 찾을 SLN 이미징 최대 1.5 c m 깊이의 타당성을 입증 하.
  10. 이미징, 후 모든 치킨 조직 조각 제거
  11. 끄고 레이저.

5. PA 분광학의 SLN

  1. 쥐에 0.5 c m 두께 닭 가슴살 조직 조각 장소.
  2. 670으로 레이저의 파장을 설정 소프트웨어를 사용 하 여 nm.
  3. 스위치 레이저에. PA 신호의 도움으로 SLN을 찾으려고 지역에 닭 가슴살 조직 따라 프로브 스캔.
  4. 프로브는 SLN을 식별 후 안정적인 개최.
  5. 제공 하는 소프트웨어를 튜닝 하는 레이저에 입력 파장 800 nm 레이저 소프트웨어에 10 nm/s, 속도 설정 하 고 클릭는 ' 시작 ' 버튼.
    참고:이 달라질 수 670에서 파장 800 nm nm 10 nm/s의 속도로. 다양 한 파장 범위 사용 대조 대리인의 흡수 스펙트럼에 따라 달라 집니다. MB는 날카로운 피크 약 670 nm.
  6. 파장 변화 PA 신호에 있는 변화를 관찰.
  7. 끄고 레이저.
  8. 닭고기 조직 조각을 제거.

6. 실시간 바늘 추적을 사용 하 여 파이

동물에
  1. 장소는 0.5 c m 두께 닭 가슴살 조직 조각. 675 준비가 되어 파장 nm.
  2. 스위치 레이저에. PA 신호의 도움으로 화면에 SLN을 식별 하는데 프로브 이동.
  3. 추적 실시간 바늘
    1. 차원 0.6 x 32 mm 2에 그것을 지도 하는 동안, SLN을 도달 하는 동물에 닭 조직을 통해 UST에 평행 23 G 바늘 주사 임상 미국 시스템 모니터에 실시간.
  4. 레이저 실험 후 해제. 치킨 조직을 제거 하 고 동물에서 속도도 펄스 작업 벤치에 동물을 이동. 청소 면 잎사귀와 쥐에 초음파 젤.
  5. 동물의 침구에 놓고 의식 회복 될 때까지 모니터링.
  6. 돌아갈 동물의 감 금 소의 동작을 정상입니다.

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Representative Results

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Figure 1
그림 1: 시스템 설명. 시스템과 듀얼 모달 임상 미국 파이 시스템의 (a) 도식 표현입니다. 오 포--광학 섬유 번들의 옵티컬 파라메트릭 발진기, FH-섬유 홀더, USM-임상 미국 기계. 섬유 소유자는 UST 및 2 개의 출력 광섬유 번들 통합합니다. Isoflurane과 산소를 공급 하는 마 취 기계 마 취 동물 실험 하는 동안 유지 하는 데 사용 됩니다. (b) 분기 광섬유의 사진. I / P 표시는 섬유의 입력된 끝 및 O/P 2 출력 섬유의 끝을 나타냅니다. (c) 3 개의 슬롯, 광학 섬유에 대 한 두 가지와 넣으면 섬유 소유자의 사진. (d)를 넣으면 섬유 홀더에 고정 하는 끝의 사진. (e) 다른 깊이에 특징 축 해상도 절반 최대에 가득 차 있는 폭에서 계산. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

이미징 시스템의 축과 옆 해결책의 특성, 0.6 m m 직경의 바늘이 사용 되었다. 축과 측면 방향에 따라 PA 신호 꾸몄다 고 가우스 분포 함수에 장착. 절반 최대에 가득 차 있는 폭 1cm, 1.5 c m, 2cm, 2.5 cm, 및 3 cm의 다양 한 깊이에서 계산 했다. 축 해상도 대 한 플롯은 그림 1e에 표시 됩니다. 축 해상도 207 ± 45 µ m 계산 했다. 수평 해상도 UST의 요소 피치에 의해 제한 됩니다. 이론적으로, 측면 해상도 UST의 요소 크기 300 µ m 이다. 바늘의 인수 PA 이미지에서 계산 측면 해상도 351 µ m 이었다.

MB는 식품 의약품 안전 청 (FDA) SLN 이미징 염료를 승인 하 고 널리 사용 임상 SLNB. 따라서, MB는 광범위 하 게 파이와 SLN의 비 침범 성 이미징에 대 한 사용 되었습니다. 675의 최적의 파장 nm 광 스펙트럼 및 레이저 tunability36의 제한에 따라 결정 했다. 그림 2a SLN 이미징에 대 한 쥐의 면도 영역의 사진을 보여줍니다. 빨간색 파선 결합 된 미국 및 PA 이미징에 대 한 대략적인 이미지 평면을 보여 줍니다. 모든 결합된 PA와 미국 이미지 표시 임상 미국 시스템 모니터에서 찍은 스크린샷입니다. 그림 2b MB의 주입 하기 전에 결합 된 미국 및 PA 이미지를 보여 줍니다. 그것은 이미지에서 PA 신호는 지적 수 있습니다. 미국에서 림프절의 이미지 수 식별, 훈련 된 눈으로만 대비 매우 가난 하다. 또한, 일반 미국 이미지는 SLN 다른 림프절에서 분화 될 수 없습니다. 그림 2 c MB 주입 후 결합 된 미국 및 PA 이미지를 보여줍니다. 이 이미지에서는 SLN 강한 PA 신호는 SLN에 MB에서 인해 매우 쉽게 확인할 수 있습니다.

Figure 2
그림 2: SLN 식별. (a) 이미징 SLN에 쥐의 면도 이미징 영역, 빨간 점선 사진은 B-스캔 미국 파이;의 대략적인 비행기 (b) 미국 및 PA MB 주입 하기 전에 이미지를 결합, (c) MB 주입 후 미국 및 PA 이미지를 결합. X 및 Y 축에서 눈금 막대는 동일한 길이 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

실시간 PA 분광학 임상 PA와 이미징 시스템 이미징 동안 레이저의 파장을 변화 하 여 수행할 수 있습니다. MB는 날카로운 흡수 피크 약 670 nm. 그래서, 670에서 파장을 변화 하 여 800 nm nm, PA 신호는 SLN에서 천천히 사라질 것 이다. 그림 3a -c 표시는 SLN 670에 nm 700 nm와 800 nm, 각각.

Figure 3
그림 3: 실시간 파 분광학. 670에서 (a) SLN nm, 700에 (b) SLN nm, (c) SLN 800 nm. 눈금 막대에 X 및 Y 축 같은 길이 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

인 간에 있는 피부 표면에서 깊이의 1-2 cm 사이 SLNs 일반적으로 있습니다. 작은 동물, SLN은 피부 바로 아래 찾을 수 있습니다. 따라서, 인간의 SLN 이미징 시나리오를 모방, 치킨 유 방 조직은 쥐의 피부 표면 위에 배치 했다. 또한, 깊이 영상, 치킨 유 방 조직의 두께 0.5 c m의 단계까지 증가 보여 1.5 cm. 최대 1.5 cm 깊은 영상 관찰 되었습니다 현재 설치. 이미징 깊이 높은 레이저 에너지로 더 향상 될 수 있습니다.

Figure 4
그림 4: 실시간 바늘 지도. (a) 미국 이미지의 스크린 샷을 노란색 화살표, (b) 에 의해 표시 하는 지도 우리 결합 그리고 PA 이미지는 SLN에 대 한 지침 바늘 MB로 바늘을 보여주는. 눈금 막대에 X 및 Y 축 같은 길이 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

비-침략 적 식별, SLN의 FNAB 함께 SLNB 수술과 관련 된 합병증을 줄일 것입니다. 초음파는 지금37까지 바늘 지도 대 한 가장 일반적으로 사용 되 기술입니다. 그러나, 미국의 대비 조직에 바늘 지도 시각화에 매우 가난 하다. 비-침략 적, 파이와 SLN의 생 검에 대 한 실시간 바늘 지침 여기 표시 됩니다. 그림 4a 는 SLN에만 미국 영상에 의해 바늘 지침의 이미지를 보여 줍니다. 그것은 미국에서 제공 하는 대비 좋지 않다 추적 하 고 바늘을 제대로 안내 훈련된 눈을 필요로 분명 하다. 그림 4b 는 바늘 지도 vivo에서의 결합 된 미국 및 PA 이미지를 보여 줍니다. PA 이미징, 바늘에서 얻은 대비 매우 높은 고 쉽게 모니터링할 수 있습니다와 비보에추적. 영화 S1에 비보 바늘 추적에 대 한 이미징 펜 실바 니 아의 비디오를 보여 줍니다. 일단 바늘에는 SLN 도달, SLN 조직의 작은 부분 추가 조직학 검사에 대 한 밖으로 취할 수 있습니다.

영화 S1:Please이이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

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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 효과적인, 비-침략 적 심사, 진단, 및 암의 준비에 사용할 수 있는 기술입니다. 임상 PA 이미징 MB 같은 FDA 승인 조 영제와 더 실현 가능한 만들 수 있습니다. PA 이미징으로 비-침략 적 절차, SLNB 수술 관련 합병증을 제거 합니다.

임상 파이 성공 하기 전에 주의 해야 하는 몇 가지 문제가 있다. 첫째, 파이 사용 되는 레이저의 크기 더 컴팩트 하 게 만들 수 있다. 그들은 큰, 무거운, 그리고 그들을 집 광 표 요구. 그들은 또한 정렬, 따라서 하지 임상 사용을 위해 휴대용 매우 작은 변화에 민감한입니다. 작은 다이오드 레이저 부피가 오 포 레이저에 비해 매우 낮은 전력 산출 되며 가변 자주 없습니다. 최근, 휴대용 오 포 레이저 되었습니다 사용할 수 있습니다. 이 크게 이동성의 문제를 해결할 수 있습니다. 둘째, 높은 빛 효율을 커플링으로 미국 프로브 빛 배달 통합 어려운 작업입니다. 작은 다이오드 레이저는 UST 내 통합 자체. 그러나, 힘은 훨씬 낮은 이며 사용자 정의 만든 수정 하기가 USTs에 심지어 더 비싼38. 빛과 UST의 효과적인 외부 커플링 할 수 있어야 합니다. 셋째, 상업 임상 미국 이미징 시스템 파이 대 한 원시 채널 데이터에 액세스할 수 및 데이터 수집에 대 한 호환 USTs의 가용성. 최근, 이러한 시스템 상업적으로 제공 되고있다.

다른 사소한도 전에 효과적인 영상 프레임 속도 증가 하는. 이 현재는 레이저의 펄스 반복 속도 의해 제한 됩니다. 대부분 오 포 레이저는 반복 주파수를 200 Hz. 펄스 다이오드 레이저까지 몇 kHz의 훨씬 더 높은 펄스 반복 속도가지고 있다. 이러한 레이저를 사용 하 여 이미징 프레임 향상에 도움이 될 것입니다 크게34평가. 또한, (MB)과 같은 거의 FDA 승인 대조 대리인의 가용성은 임상 파이 대 한 또 다른 한계입니다. 연구를 많이 찾아서 다른 조 영제 파이 대 한 테스트에서 수행 되는. 다른 사소한 측면 또한 이미징 휴대용 PA를 수행 하는 동안 고려 될 필요가 있다. 우리는 동물에 휴대용 프로브를 사용 하는, 있을 것입니다 손 동작 때문에 일부 오류 홀더를 처리 하는 동안. 이 오류를 최소화 하기 위해 최대한 주의 취해야 한다. 또한, 보여주는 추적 실시간 바늘, 바늘 정확 하 게 비행기는 UST의 중심에 위치 바늘에서 최대 PA 신호 성공적으로 그것을 추적 하는 매우 중요 한입니다. 이러한 모든 과제를 극복 하 여 파이 광범위 하 게 응용 프로그램 (장기 세포 세포)에 대 한 가능한 임상 이미징 도구 수 혈관, 뇌 맥 관 구조, 종양, SLN, 방광, 및 순환 종양 세포의 포함 한 영상.

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Disclosures

저자 있고 아무 관련 금융 관심사 원고에 없는 다른 잠재적인 이해 충돌 공개.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
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

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휴대용 임상 Photoacoustic 실시간 비-침략 적 작은 동물 이미징을 위한 이미징 시스템
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Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Pramanik, M. Hand-held Clinical Photoacoustic Imaging System for Real-time Non-invasive Small Animal Imaging. J. Vis. Exp. (128), e56649, doi:10.3791/56649 (2017).More

Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Pramanik, M. Hand-held Clinical Photoacoustic Imaging System for Real-time Non-invasive Small Animal Imaging. J. Vis. Exp. (128), e56649, doi:10.3791/56649 (2017).

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