Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

Görüntüleme sistemi gerçek zamanlı Non-invaziv küçük hayvan görüntüleme için el klinik Photoacoustic

doi: 10.3791/56649 Published: October 16, 2017

Summary

Klinik bir el photoacoustic görüntüleme sistemi gerçek zamanlı non-invaziv küçük hayvan görüntüleme için gösterilecektir.

Abstract

Çeviri photoacoustic görüntüleme klinik içine büyük bir sorun olduğunu. El gerçek zamanlı klinik photoacoustic görüntüleme sistemleri çok nadirdir. Burada, bir kombine photoacoustic ve klinik ultrason görüntüleme sistemi ile küçük hayvan görüntüleme için ışık teslim bir ultrason sonda entegre ederek raporu. Bunu yanında gösterilen sentinel lenf nodu düşsel minimal invaziv gerçek zamanlı iğne rehberlik birlikte küçük hayvanlarda göstermek. Ham kanal veri erişimi olan bir klinik ultrason platform önde gelen el gerçek zamanlı klinik photoacoustic görüntüleme sistemi Imaging photoacoustic uyum sağlar. Metilen mavisi sentinel lenf nodu düşsel vasıl 675 nm dalga boyları için kullanıldı. Ayrıca, ikili kalıcı ultrason ve photoacoustic görüntüleme iğne rehberliğinde görüntüleme sistemi kullanarak gösterildi. 1.5 cm'ye kadar olan derinliği görüntüleme kare hızı saniyede 5 kare Imaging bir photoacoustic bir 10 Hz lazer ile gösterilmiştir.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Algılama ve kanserinin evreleme için farklı görüntüleme teknikleri kullanılabilir. Bazı yaygın olarak kullanılan görüntüleme yöntemleri manyetik rezonans görüntüleme (MRG), x-ışını Bilgisayarlı Tomografi (BT), röntgen, ultrason (bizi), Pozitron emisyon tomografisi (PET), görüntüleme, Floresan vb1,2, 3 , 4. ama varolan görüntüleme teknikleri ya da bazı invaziv, zararlı radyasyon var, ya da yavaş, pahalı, hantal veya hastalara düşmanca. Böylece, yeni, teşhis ve tedavi5için hızlı ve uygun maliyetli görüntüleme teknikleri geliştirmek için sürekli bir ihtiyaç vardır.

Photoacoustic (PAI) görüntüleme zengin optik kontrast bir daha derin görüntüleme derinliğini5,6,7,8ultrasonik yüksek çözünürlükte birleştirir gelişmekte olan bir görüntüleme tekniği olduğunu, 9. PAI içinde kısa lazer nabzı doku ışınlama için kullanılır. Işık küçük sıcaklık yükselmeye neden doku tarafından absorbe. Thermoelastic genişleme nedeniyle basınç dalgaları (akustik dalgalar biçiminde) doku içinde oluşturulur. Oluşturulan akustik dalgalar (photoacoustic) (PA) dalga olarak da bilinir) bir geniş bant ultrason çevirici ile iktisap (UST) doku sınır dışında. Alınan bu PA sinyaller PA görüntüleri, doku içinde yapısal ve fonksiyonel bilgi vermeden yeniden oluşturmak için kullanılabilir. PAI uygulamaları da dahil olmak üzere, geniş bir dizi vardır: damar görüntüleme, sentinel lenf nodu görüntüleme, beyin damarlara görüntüleme, tümör görüntüleme, moleküler görüntüleme, vb10,11,12, 13,14,15 PAI vardır sayısız uygulama avantajları nedeniyle, yani: derin penetrasyon derinliği, iyi Uzaysal çözünürlük ve yüksek yumuşak doku kontrast. PAI içinde kontrast kan, melanin, vbendojen olabilir. Endojen kontrast yeterince güçlü değil, eksojen kontrast ajanlar gibi organik Boyar maddeler, nano tanecikleri, kuantum nokta, vb16,17,18,19, 20 , 21 karşıtlığı artırmak için kullanılabilir.

PAI göre diğer görüntüleme teknikleri çok sayıda avantaj bulunsa da, klinik çeviri hala çok büyük bir sorundur. Ana kısıtlama kullanılan lazerler hantal doğası vardır, çoğu veri toplama için kullanılan USTs klinik ABD sistemleri ve non-durumu için ham kanal erişim vermek ticari olarak mevcut klinik ABD görüntüleme sistemleri ile uyumlu değildir veri. Ancak son zamanlarda, ham veri erişimi olan ticari klinik ABD makineleri kullanılabilir22haline gelmiştir. Bu çalışmada, PAI fizibilite ile bir el set-up bir klinik ABD platformu kullanarak göstermek hedefliyoruz. Bu non-invaziv görüntüleme sentinel Lenf bezleri (SLNs) küçük bir hayvan modelinde göstererek göstermek hedefliyoruz.

İnvaziv meme tümörleri kadınlar arasında kanser ölüm sebeplerinden biridir. Tanılama ve meme kanseri erken evreleme hastanın prognozu içinde önemli bir rol oynamaktadır tedavi stratejileri, karar vermek için hayati önem taşımaktadır. Meme için hazırlama sentinel lenf nodu biyopsisi (SLNB) genellikle kanser23,24kullanılır. SLN birincil lenf nodu burada kanser hücreleri bulma olasılığı en yüksek metastaz nedeniyle olmasıdır. SLNBs bir boya veya bir radyoaktif izleyici, ardından küçük bir kesi ile alanı açık kesme ve görsel olarak boya durumunda veya durumunda radyoaktif bir izleyiciyi Geiger sayacı yardımıyla SLN bulma enjekte içerir. Kimlik sonra birkaç SLN histopatolojik çalışmalar24,25için kaldırılır. Pozitif SLNB tümör yakındaki lenf düğümlerine ve belki diğer organlara metastaz yapmış gösterir. Negatif SLNB metastaz olasılığını ihmal edilebilir26olduğunu gösterir. SLNB kol uyuşma, Lenfödem, ilişkili SLNB komplikasyonlar ortadan kaldırmak için vb27 gibi ilişkili birçok komplikasyonları vardır, bir non-invaziv görüntüleme tekniği gereklidir.

SLN eşlemesindeki küçük hayvanlar ve insanlar için Imaging PA kapsamlı farklı kontrast ajanlar15,28,29,30,31 yardımıyla araştırılmalıdır , 32. ancak, şu anda kullanılan sistemler klinik bir senaryoda daha önce belirtildiği gibi kullanılamaz. Ele alınması gereken bir diğer endişe SLNB28dahil cerrahi işlemdir. İnce iğne aspirasyon biyopsisi için minimal invaziv yordamlar adapte (FNAB) kurtarma süresini ve hastalar yan etkileri azaltmak için ihtiyaç vardı. Bu çalışmada, bir klinik ABD sistemi kullanıldı için kombine ABD ve PA görüntüleme kullanıldı. Klinik Kur kullanımı kolaylaştırmak için bir özel yapılmış el sahibi konut fiber optik ve UST için tasarlanmıştır. Metilen mavisi (MB) belirlenmesi ve eşleme SLNs. Ayrıca, komplikasyonlar SLNB cerrahi ile ilişkili ortadan kaldırmak için kullanılan non-invaziv gerçek zamanlı iğne izleme de gösterdi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

tüm hayvan deneyleri onaylı kurallara ve yönetmeliklere göre kurumsal hayvan bakım ve kullanım Komitesi Nanyang Teknoloji Üniversitesi, Singapur tarafından gerçekleştirilmiştir (hayvan iletişim kuralı numarası ARF-SBS / NIe-A0263).

1. el gerçek zamanlı klinik PA ve bizi düşsel sistem

  1. el klinik PAI sistem 33 şeması Şekil 1a ile gösterilir. Bir frekans iki katına nanosaniye pulsed ND: YAG pompası tarafından bir fiber optik çatallı bohça ( Şekil 1b) lazerdir optik parametrik osilatör (OPO) lazer oluşur, özel yapım bir 3D baskılı el prob tutucu) şekil 1 c) 33, klinik çift kalıcı ABD ve PA sistemi ve klinik olarak uyumlu bir doğrusal dizi UST (tablo malzemeleri görmek).
  2. Yanında tıkırtı üstünde kutsal kişilerin resmi--dan okul sırası bilgisayar yazılımı için klinik ABD sistemi üreticisi tarafından sağlanan yazılımı çalıştırmak.
  3. Dokunmatik ekranından ' araştırma ' ABD sistem araştırma modunda çalıştırmak için düğme. Kombine üzerinde ABD ve komut dosyası komut dosyaları listesinden Imaging PA tıklatın ve görüntüleme kombine modunda çalıştır düğmesini tıklatın.
  4. Senkronize klinik ABD sistemi ile lazer lazer tetiği kullanarak veya bir fotodiyot kullanma.
    Not: sabit belgili tanımlık sync dışarı ABD sistemi eşitlemek için lazer bağlayın. Pozitif transistör transistör mantık (TTL) sinyal eşitleme sinyali olarak verdiğinizden emin olun. Fotodiyot sinyal eşitleme amaç için de kullanılabilir. ABD sistemi eşitlemede fotodiyot önyargı modülü kullanılarak fotodiyot dedektörü bağlıdır. Lazer ON olduğunda, fotodiyot tetiklemek ve lazer ve ABD sistemi eşitleme için bir sinyal verir. Her zaman bu adımı gerçekleştirin.
  5. Lazer üzerinde açmak için AC gücüyle geçin ve lazer denetleyicisi üzerine anahtarı çevir. Tekrar kontrol ettikten sonra lazer başlatmak 10 Hz oranıdır (F10 ekranda görüntülenir) ve Q-switch gecikmesi düşük lazer enerji sağlamak için 170 µs düşüktür. Gecikme değeri ve 170 artırmak görene gecikme ayarlamak için Seç tuşuna basın.
    Not: Lazer yaklaşık 20 dk sıcak yukarıya için alır
  6. Açık bir bilgisayarda yazılım arayüzü ve goto menüsüne girin dalga boyu 675 nm ve basın ' başlangıç ' 675 dalga boyunu ayarlamak için düğmeyi nm.
    Not: Lazer 670 2.500 için ayarlanan nm, ancak, 670 kararsız olduğunu nm.
  7. Obtüratör butonuna basın ve lazer için giriş fiber lazer ışını hizalamak için anahtarını kullanarak açın.
  8. Öyle ki tüm ışık üstünde belgili tanımlık fiber giriş son düşer bir 1 inç (2,5 cm) çapı plano dışbükey lens odak uzaklığı 15 mm, odak fiber paket için lazer ışını kullanarak.
    Not: Fiber optik birlikte birlikte 1600 küçük lifleri vardır. 800 optik lifler sahip iki dikdörtgen çıkış ucu ile orta bölündü. 800 lifleri 0.1 x 4 cm, bir alana UST boyutlarla eşleşecek şekilde paketlenir. Her optik fiber göbek çapı 0,22 sayısal bir diyafram ile 185 µm olduğunu.
  9. Lazer hizalama sonra geçiş.
  10. --Dan 4 sonda sahipleri farklı açılardan aydınlatma (0°, 5°, 10° ve 15°) tabanlı uygulama (görüntüleme, nesnenin boyutunu, nesnenin şeklini ve nesnenin konumu derinlik) uygun prob tutucu seçin.
    Not: Sonda sahipleri tasarlanmış ve 3D laboratuarda yazdırılır. Üç yuvası, iki çatallı optik lifler ve UST için merkezi bir vardır. Sonda sahibinin Boyut boyutları fiber optik ve UST dayanıyordu. Monte Carlo simülasyonları SLNs daha yüksek derinlikte görüntüleme için gerekli ışık aydınlatma çalışma yapıldı. SNR ayaktakımı arasında 15 ° 33 ' ün bir aydınlatma için daha yüksek.
  11. 15˚ bir ışık aydınlatma açıyla 3D yazdırılan sonda tutucusuna çatallı fiber optik uygun.
  12. UST sahibinin Merkezi yuvasına takın.
    Not: Resim 1 d fiber optik ve UST ile sonda sahibi fotoğrafı gösterir. Doğrusal UST dizi 128 dizi öğesine sahip. UST Merkezi sıklığını 8,5 MHz ve kesirli bant genişliği % 95. UST 3,85 cm uzunluğundadır. Ancak, sistem yalnızca 64 paralel veri toplama donanım ve iki nabız 128 elementlerden veri toplamak için lazer gerektirir. Bu nedenle, sistemin etkili kare hızı 5 çerçevelemek-de ikinci 34 olan lazer, yarım darbe tekrarlama oranı olur.
  13. Tarafındaki vidaları gevşeterek tarafından UST ve 1 cm fiber bitiş arasındaki mesafeyi ayarlamak ve olan tam uzaklığını ayarladıktan sonra sıkın.
    Not: Parametreleri SLN simülasyon ve hayalet deneyler 33 ile görüntüleme için optimize edilmiştir. UST sonda kutusunda iki vida ile güvenli. Bu fiber optik ve UST arasındaki uzaklığı değiştirmek için esneklik verir.
  14. Anahtarı ON lazer ve dikdörtgen lazer ışını elde etmek emin olun spot UST önünde.
  15. Anahtarı lazer kapalı. Lazer enerjisi (gecikme artırarak) için istediğiniz değeri görüntüleme amaçla artırmak.
    Not: ND: Yag Lazer için ayarlanabilir maksimum gecikme için el kitabına bakın. SLN görüntüleme için bu sistem için istenen gecikme değeri 210 için ayarlandı.

2. Çözünürlük karakterizasyonu

  1. piyasada bulunan tavuk doku levha alın ve bir 6 x 6 cm 2 levha kesti. Bir bıçak kullanılarak kesme bu 0,5 cm kalınlığında dilimler halinde.
  2. 23 G iğne çapının tavuk meme dokusu üzerine 0.6 mm gibi bir point nesnesini yerleştirin.
  3. Anahtarı ON lazer.
    Dikkat: Protokol geri kalanı için lazer ile çalışırken koruyucu gözlük takılmalıdır. Lazer enerjisi zayıf olduğu için hizalama işlemi sırasında bir özel durum yapıldı.
  4. Birden fazla tavuk istifleme tarafından farklı derinliklerde iğne görüntülerini almak PA altında kalınlığı 0,5 cm tek tek dilim doku kadar bize kaplin geliştirmek için tavuk göğsü doku katmanları arasında 3 cm. Uygula u.s. jel için meme.
  5. .Mat dosyası olarak kaydedin ve ışın oluşan görüntüler.
  6. Lazer geçiş.
  7. İşlem verileri kullanarak görüntü işleme yazılımı 17 şirket içi koduyla.
    Not: Aksiyel ve yanal çözünürlük belirlemek için ilgili yönergeleri boyunca normalleştirilmiş PA sinyalleri noktası yayıldı fonksiyonu bulmak ve bunları bir Gauss dağılımı işlevi 17 ' ye uygun. Tam genişliği yarım maksimum elde edilir. Noktaya yayılmış işlevi elde etmek için bir nokta görüntü için gereklidir. Ancak, bir nokta hedef görüntüleme (bizim durumumuzda bir çok küçük nokta hedef için sinyal oldukça küçük ve bu nedenle biz biraz daha büyük bir hedef kullanmak gibi) zor çoğu zaman bir noktaya yayılmış işlev elde etmek başka bir yolu yoktur. Hedef büyük ise, yerine doğrudan konudan işlevi yayılmış, tek bir yayılmış kenar işlev elde edebilirsiniz. Sonra yayıldı kenar fonksiyonun ilk türevi alarak, bir noktaya yayılmış işlev elde edebilirsiniz. Bu nedenle, çözünürlük 22 hesaplamak için bir nokta hedef kullanmak kesinlikle gerekli değildir.

3. SLN görüntüleme için hayvan hazırlık

< p sınıf "jove_con =Çadır "> Not: yukarıda açıklanan el klinik görüntüleme sistemi küçük hayvan SLN görüntüleme için gösterilmiştir. Deneyler için 6 - için 8-hafta-yaşlı sağlıklı, dişi fareler (NTac:Sprague Dawley, 220 ± 30 g) tedarik. Erkek rats Meme Kanserinde oluşumu daha az sık olduğundan dişi rats kullanılır. Ancak, erkek rats çalışmaları için de kullanılabilir. Ayrıca, literatürde, dişi rats kullanılır SLN görüntüleme için daha geniş.

  1. Sıçan anesthetization
    1. görüntüleme önce bir kokteyl ketamin (100 mg/mL), xylazine (20 mg/mL) ve bir kısmı 2 adlı enjekte edilebilir serum fizyolojik içeren anestezi çözüm fareyle anestezi: 1:1. Kokteyl hayvan ağırlığının 100 gr başına 0.2 mL steril cerrahi 1 mL şırınga iğne ile (27 G, ½ inç) ekleyin.
    2. Scruff fare el tarafından boyun ve sağ alt çeyreğinde karın bir alkol bez ile dezenfekte. Anestezi çözüm hayvan vücuda enjekte.
    3. Hayvan ayak çimdik üzerinde refleks denetleyerek anaesthetized emin olmak.
  2. İçin SLN görüntüleme, Kaldır saç yavaşça piyasada bulunan saç dökücü krem ile ilgi bir bölge. Gerekli olduğu kadar tamamen alanı kapsayacak şekilde kullanın. Bir ıslak pamuk bez ile krem uygulama 3-5 dk sonra kaldırın. Göz kuruluğu ve yanlışlıkla lazer hasar önlemek için suni gözyaşı merhem uygulamak.
  3. Yer mavi masaya underpad ve hayvan yan üzerinde konumlandırın. Deneyler sırasında anestezi altında hayvan korumak için inhalasyon anestezi burun konisi (isoflurane oksijen (1.2 L/dak) ile birlikte % 0.75) aracılığıyla yönetmek. Kalp hızı ve periferik oksijen doygunluğu deneyler boyunca izlemek için farenin arka pençe için nabız oksimetre klip.
    Not: hayvan hayvan kullanımı için onaylanmış bir Isıtma yastığını kullanarak sıcak olduğundan emin olun.

4. Vivo SLN Imaging fareler

  1. önce görüntüleme, 0.5-1 mL ABD jel kullanarak cilt uygulamak ve iyi bir aplikatör kullanarak yayıldı. Görüntüleme alanının boyutu 6 cm x 6 cm bir 0,5 cm kalınlığında tavuk göğsü doku dilim yerleştirin ve kaplin geliştirmek için tavuk doku daha ABD jöle uygulamak.
    Not: Bürosu (içinde 2-3 mm) Cilt Sıçanlarda altında bulunur. İnsanlarda, göçmenlik bir, 1 cm. derinlikte dolayısıyla, tavuk doku fare insan görüntüleme senaryo taklit etmek için görüntüleme alanına yerleştirilir. Alternatif olarak, hayaletler taklit doku-ebilmek var olmak kullanılmış tavuk doku yerine.
  2. Anahtarı lazer üzerinde. Yer tavuk doku ve inceden inceye gözden geçirmek üstünde el prob tutucu BT (sağdan sola hareket sahibi) kombine ABD ve PA modunda.
    Not: Lazer ışını alan yaklaşık 3 cm 2 ve Amerikan Ulusal Standartlar Enstitüsü (ANSI) Emanet sınırı (20 mJ/cm 2) daha az olan yaklaşık 8 mJ/cm 2, akım hesaplanır 35 . Görüntüleme derinliği 2 cm için klinik ABD sistemi ayarlanır. Koruyucu gözlük her zaman lazer açıldığında, yıpranmış.
  3. Görüntüleme derinliği 2 cm için Imaging PA için ayarlamak.
  4. El prob yan yana önce kontrast ajanın enjeksiyon hareket ettirerek bölgenin ilgi ön bacak göğüs alanında, yukarıda bir denetim görüntüsünü elde etmek.
    Not: Tüm verileri ışın biçimlendirilmiş veriler kaydedilir girin daha fazla işlemek için.
  5. Kontrast Ajan, (Yani, MB (10 mg/mL)) hayvan forepaw 0.2 mL enjekte ve lenf düğümleri lenf damarları arasında kontrast Aracısı hareketi kolaylaştırmak 2 dk için iyi masaj.
  6. SLN PA sinyal yardımıyla bulmak için tavuk doku boyunca
  7. tarama el ile 5 dk sonra soruşturma.
    Not: Tüm çerçeveleri ışın biçimlendirilmiş veri türü kaydedilir.
  8. Tıklayın ' donma ' düğme--dan belgili tanımlık ABD sistemi ve tıkırtı denetimlere ' Seçili çerçevelerin verme ' kaydedilen veri vermek için dokunmatik ekran monitör düğmesinden.
    Not: Veri farklı biçimlerde depolanabilir Yani, oluşan ışın, dönüştürülmüş tarama, kanal ve IQ
  9. 2 daha fazla katman 0,5 cm kalınlığında tavuk doku dilimleri üstünde tepe-in belgili tanımlık hayvan tek tek ekleyip 1,5 cm'ye kadar görüntüleme derinliği fizibilite göstermek için SLN bulun.
  10. Görüntüleme sonra bütün tavuk dokusu dilimlerin kaldırmak
  11. Lazer geçiş.

5. PA spektroskopisi SLN

  1. 0,5 cm kalınlığında tavuk göğsü doku dilim üzerinde fare yerleştirin.
  2. Lazer dalga boyu 670 ayarla yazılımı kullanarak nm.
  3. Anahtarı lazer üzerinde. SLN PA sinyal yardımıyla bulun bölgede tavuk meme dokusu boyunca sonda tarama'yı.
  4. SLN belirledikten sonra sonda kararlı tutun.
  5. Sağlanan yazılımı ayarlama lazer dalga boyu 800 olarak girin nm lazer yazılımında hızı 10 nm/s ayarlayın ve tıklayın ' başlangıç ' düğmesini.
    Not: Bu dalga boyu 670 üzerinden değişir nm 800 nm 10 nm/s hızında. Çeşitlendirilecek dalga boyu aralığı kullanılan kontrast Ajan soğurma spektrumu bağlıdır. MB olan yaklaşık 670 zirve keskin bir nm.
  6. PA sinyal değişikliği dalga boyu değişikliği ile gözlemlemek.
  7. Lazer geçiş.
  8. Tavuk doku dilim kaldırmak.

6. Gerçek zamanlı iğne PAI izleme kullanarak

  1. yer 0,5 cm kalınlığında tavuk göğsü doku dilim hayvan. Dalga boyu 675 için ayarla nm.
  2. Anahtarı lazer üzerinde. Bulup da ekranda PA sinyal yardımıyla tanımlamak için de sonda taşımak.
  3. Gerçek zamanlı iğne izleme
    1. boyutları 0,6 x 32 mm 2, içinde rehberlik ederken SLN ulaşmak için hayvan içine UST tavuk doku ile paralel bir 23 G iğne enjekte klinik ABD Sistem Monitörü hakkında gerçek zamanlı.
  4. Lazer deneyler sonra kapatın. Tavuk dokuyu ve nabız oksimetre hayvan ve hayvan tezgah için hareket. Ultrason jeli pamuk mendil fareyle üzerine temiz.
  5. Hayvan onun yatak üzerinde yerleştirin ve bilincinin tekrar yerine geleceğinden izlemek.
  6. Davranışını normaldir sonra onun kafes hayvan dönün.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Figure 1
Şekil 1: Sistem tanımı. Çift kalıcı klinik ABD sistemi PAI sistemiyle (a) şematik gösterimi. OPO - OF - fiber optik paket optik parametrik osilatör, FH - lif tutucu, USM - klinik ABD makine. Fiber tutucu UST ve iki çıkış fiber optik paket bütünleştirir. İsoflurane ve oksijen sağlayan anestezi makine deneyler sırasında hayvan anestezi altında tutmak için kullanılır. (b) fotoğraf çatallı fiber optik. Ben / P gösterir lif giriş sonu ve O/P iki lif uçları çıkış gösterir. (c) ile üç yuva, iki optik fiber ve UST için bir lif sahibi fotoğrafı. (d) fotoğraf UST ve lif tutucu içinde sabit OF biter. (e) tam genişliğinde yarım maksimumda Aksiyel çözünürlük farklı derinliklerde karakterize hesaplanan. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Görüntüleme sistemi Aksiyel ve yanal çözünürlük karakterize etmek için 0.6 mm çaplı bir iğne kullanıldı. PA sinyal Aksiyel ve yanal yön boyunca çizilen ve Gauss dağılımı işlevine monte. Tam genişliği yarım maksimum 1 cm, 1.5 cm, 2 cm, 2.5 cm ve 3 cm çeşitli derinliklerde hesaplanır. Arsa Aksiyel çözünürlük için şekil 1eiçinde gösterilir. Aksiyel çözünürlük 207 ± 45 µm olarak hesaplanır. Yanal çözünürlük UST öğe aralığı tarafından sınırlıdır. Teorik olarak, yanal çözünürlük UST öğesi boyutu 300 µm var. İğne alınan PA görüntüden hesaplanan yanal çözünürlük 351 µm yapıldı.

MB bir gıda ve İlaç Dairesi (FDA) boya SLN görüntüleme için onaylanmış ve yaygın klinik olarak SLNB için kullanılır. Bu nedenle, MB noninvaziv SLN PAI ile kapsamlı bir şekilde görüntüleme için kullanılmıştır. Optimum bir dalga boyu 675 nm optik spektrumu ve lazer ayar36sınırlamaları dayalı kararlıydım. Şekil 2a fareyi SLN görüntüleme için traş bölgenin fotoğrafı gösterir. Kırmızı Kesikli çizgi kombine ABD ve PA görüntüleme için yaklaşık görüntüleme uçak gösterir. Tüm kombine PA ve ABD resimler gösterilen klinik ABD Sistem Monitörü'nden alınan ekran görüntüleri vardır. Şekil 2b enjeksiyon MB önce Birleşik ABD ve PA görüntü gösterir. Resimdeki PA sinyal olduğunu kaydetti. Kontrast çok kötü olduğu gibi ABD, lenf düğümleri görüntülerini, ama sadece eğitimli bir göz tarafından tespit edilebilir. Ayrıca, düz ABD görüntülerle SLN diğer lenf düğümleri ayırt edemez. Şekil 2 c Birleşik ABD ve PA görüntü MB enjeksiyon sonra gösterir. Bu görüntüden SLN çok kolay güçlü PA sinyal SLN MB nedeniyle tespit edilebilir.

Figure 2
Şekil 2: SLN tanımlama. (a) fareyi SLN görüntüleme için traş görüntüleme bölgenin fotoğrafı, kırmızı noktalı çizgi B-tarama ABD yanı sıra PAI yaklaşık boyutunda gösterir; (b) MB enjeksiyon önce ABD ve PA görüntü kombine, (c) ABD ve PA görüntü MB enjeksiyon sonra kombine. X ve Y ekseni ölçek çubuğunda aynı uzunlukta temsil eder. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Gerçek zamanlı PA spektroskopisi ile klinik PA görüntüleme sistemi görüntüleme sırasında lazer dalga boyu değiştirerek yapılabilir. MB olan bir keskin emme tepe yaklaşık 670 nm. Yani, dalga boyu 670 gelen değişen tarafından nm 800 nm, SLN PA sinyalini yavaş yavaş kaybolacaktır. Şekil 3a -c gösterir SLN 670 nm, 700 nm ve 800 nm, anılan sıraya göre.

Figure 3
Şekil 3: gerçek zamanlı PA spektroskopisi. (a) SLN 670, nm, (b) SLN, 700 nm, (c) SLN 800 nm. Ölçek çubuğu x ve Y ekseni aynı uzunlukta temsil eder. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

SLNs genellikle 1-2 cm derinlik insanlarda cilt yüzeyinden arasında yer almaktadır. Küçük hayvanlarda SLN cilt altında bulunabilir. Bu nedenle, bir insan SLN görüntüleme senaryo taklit etmek için tavuk meme dokusunun üst kısmında farenin cilt yüzeyi yerleştirildi. Buna ek olarak, görüntüleme, derinlik tavuk meme dokusunun kalınlığı 0,5 cm adımda kadar artırılır göstermek için 1,5 cm. en çok 1,5 cm derin görüntüleme ile geçerli kurulum gözlenmiştir. Görüntüleme derinliği daha fazla yüksek lazer enerjisi ile geliştirilebilir.

Figure 4
Şekil 4: gerçek zamanlı iğne rehberlik. (a) iğne bize rehberlik ekran görüntüsünü sarı ok tarafından (b) işaretli kombine ve iğne rehberlik SLN için gösterilen PA görüntü MB ile dolu gösteren ABD görüntü. Ölçek çubuğu x ve Y ekseni aynı uzunlukta temsil eder. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

SLN FNAB, birlikte non-invaziv kimlik SLNB cerrahi ile ilişkili komplikasyonlar azaltacaktır. Ultrasonografi şimdi37kadar iğne rehberlik için en sık kullanılan bir tekniktir. Ama ABD karşıtlığı iğne rehberlik doku görselleştirmek için çok kötü. Non-invaziv, gerçek zamanlı iğne rehberlik SLN PAI ile biyopsi için burada gösterilir. Şekil 4a yanında ABD düşsel SLN içine sadece iğne rehberlik görüntüsünü gösterir. Bu ABD tarafından sağlanan kontrast iyi değil ve izlemek ve iğneyi düzgün rehberlik için eğitimli bir göz ihtiyacı açıktır. Şekil 4b iğne rehberlik vivo içindekombine ABD ve PA görüntüsünü gösterir. PA, Imaging ile iğne elde kontrast çok yüksektir ve kolayca takip edilebilir ve in vivoizleniyor. Film S1 PA video izleme içinde vivo iğne için Imaging gösterir. SLN iğne ulaştıktan sonra SLN doku küçük bir bölümünü daha fazla histolojik inceleme için alınabilir.

Film S1:Please, bu dosyayı indirmek için buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Şu anda tarama, tanı ve tedavi kanser maliyeti çok yüksektir. Görüntüleme yöntemleri hangi kanser tarama ve tanı için kullanılmakta olan farklı vardır. Ancak, bu görüntüleme teknikleri çok hantal makine boyutu, invaziv tanı, unfriendliness iyonizan radyasyon, hastalar, çok pahalı, gereksinim veya radyoaktif kontrast ajanlar kullanımı da dahil olmak üzere sınırlamalar. Bu nedenle, verimli, uygun maliyetli, gerçek zamanlı görüntüleme ve sistem rehberlik çok gereklidir. Kombine ABD ve PA görüntüleme etkili, non-invaziv tarama, tanı ve kanser evreleme için kullanılan bir tekniktir. Klinik PA Imaging FDA onaylı kontrast ajanlar gibi MB ile daha uygun hale getirilebilir. Imaging PA non-invaziv bir işlem olduğu için SLNB ameliyat için ilgili komplikasyonlar ortadan kaldırır.

Klinik PAI başarılı olmadan önce dikkat edilmesi gereken bazı sorunlar vardır. İlk olarak, PAI için kullanılan lazer boyutunu daha küçük yapılması gerekmektedir. Onlar büyük, ağır ve sık sık onları ev için optik bir tablo gerektirir. Onlar da çok küçük değişiklikler uyum, bu nedenle klinik kullanım için taşınabilir duyarlıdır. Küçük diyot lazerler hantal OPO lazer için karşılaştırıldığında çok düşük güç verim ve genellikle ayarlanabilir değildir. Son zamanlarda, taşınabilir OPO lazer kullanılabilir olan. Bu büyük ölçüde taşınabilirlik sorunu çözebilir. İkinci olarak, zor bir görev ışık teslimat ile yüksek ışık verimliliği kaplin ABD sonda ile bütünleşmesidir. Küçük diyot lazerler UST içinde entegre kendisi. Ancak, gücü çok daha düşük ve daha pahalı38özel yapılmış değişiklikler yapar USTs içinde bile gerektirir. Işık ve UST etkili dış bağlantı yapılması gerekiyor. Üçüncü olarak, bir ticari klinik ABD görüntüleme sistemi PAI için ham kanal veri erişimi olan ve veri toplama uyumlu USTs durumu. Son zamanlarda, bu tür sistemlere ticari olarak kullanılabilir hale gelmiştir.

Etkin görüntüleme kare hızı artırmak için diğer küçük sorunları vardır. Bu şu anda lazer darbe tekrarlama oranı ile sınırlıdır. Çoğu OPO lazer bir kaç kHz daha yüksek bir darbe tekrarlama oranı var bir darbe tekrarlama oranı 200 Hz. Pulsed diyot lazerler kadar var. Bu lazerler kullanımını görüntüleme çerçeve geliştirmeye yardımcı önemli ölçüde34oranı. Ayrıca, çok az FDA onaylı kontrast ajanlar (MB gibi) kullanılabilirliğini klinik PAI için başka bir kısıtlamadır. Bir sürü araştırma bulma ve farklı kontrast maddeler, PAI için test içinde yürütülmektedir. Küçük diğer yönleri de el PA Imaging gerçekleştirirken dikkate alınması gerekir. Hayvan üzerinde bir el sonda kullanıyoruz gibi olacak bazı hata nedeniyle hareket el sahibi taşıma sırasında. Bu hatayı en aza indirmek için son derece dikkatli alınmalıdır. Ayrıca, gerçek zamanlı iğne izleme gösterilen süre iğneyi tam olarak-uçak UST ortasına doğru konumlandırma iğneden yüksek PA sinyal almak ve başarılı bir şekilde izlemek çok önemlidir. Bütün bu zorlukların üstesinden tarafından PAI yaygın uygulamalar (hücre organelleri organlara) için uygun klinik görüntüleme aracı olabilir kan damarları, beyin damarlara, tümörler, SLN, idrar kesesi ve dolaşımdaki tümör hücreleri de dahil olmak üzere görüntüleme.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar el yazması yok ilgili mali çıkarları ve hiçbir diğer potansiyel çıkar çatışmaları ifşa etmek hakkına sahiptir.

Acknowledgments

Yazarlar Singapur Milli Eğitim Bakanlığı tarafından finanse edilen Tier 1 araştırma bütçesi mali destekten kabul etmek istiyorum (RG48/16: M4011617) ve Singapur Milli Eğitim Bakanlığı tarafından finanse edilen Tier 2 araştırma bursu (ARC2/15: M4020238). Yazarlar Dr Rhonnie Avusturya Dienzo işleme hayvanla yardımını kabul etmek istiyorum.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Yun, S. H., Kwok, S. J. Light in diagnosis, therapy and surgery. Nat. Biomed. Eng. 1, 0008 (2017).
  2. Tseng, J., et al. Clinical accuracy of preoperative breast MRI for breast cancer. J. Surg. Oncol. (2017).
  3. Baran, P., et al. Optimization of propagation-based x-ray phase-contrast tomography for breast cancer imaging. Phys. Med. Biol. 62, (6), 2315 (2017).
  4. 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).
  5. Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. J. Biomed. Opt. 22, (4), 041006 (2017).
  6. Wang, L. V., Yao, J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nat. Methods. 13, (8), 627-638 (2016).
  7. Wang, L. V., Gao, L. Photoacoustic microscopy and computed tomography: from bench to bedside. Annu Rev Biomed Eng. 16, 155-185 (2014).
  8. Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1, (4), 602-631 (2011).
  9. Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic tomography: fundamentals, advances and prospects. Contrast Media Mol Imaging. 6, (5), 332-345 (2011).
  10. 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).
  11. 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. 100645O (2017).
  12. 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).
  13. Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335, (6075), 1458-1462 (2012).
  14. Pan, D., et al. Molecular photoacoustic imaging of angiogenesis with integrin-targeted gold nanobeacons. FASEB J. 25, (3), 875-882 (2011).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Sci. Rep. 6, 35137 (2016).
  23. 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).
  24. Krag, D., et al. The sentinel node in breast cancer - a multicenter validation study. N. Engl. J. Med. 339, (14), 941-946 (1998).
  25. Borgstein, P. J., Meijer, S., Pijpers, R. Intradermal blue dye to identify sentinel lymphnode in breast cancer. The Lancet. 349, (9066), 1668-1669 (1997).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Kim, C., et al. Handheld array-based photoacoustic probe for guiding needle biopsy of sentinel lymph nodes. J. Biomed. Opt. 15, (4), 046010 (2010).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Pan, D., et al. Near infrared photoacoustic detection of sentinel lymph nodes with gold nanobeacons. Biomaterials. 31, (14), 4088-4093 (2010).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. NY. (2007).
  36. Prahl, S. Tabulated molar extinction coefficient for methylene blue in water. Available from: http://omlc.ogi.edu/spectra/mb/mb-water.html (2016).
  37. Chapman, G. A., Johnson, D., Bodenham, A. R. Visualisation of needle position using ultrasonography. Anaesthesia. 61, (2), 148-158 (2006).
  38. 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).
Görüntüleme sistemi gerçek zamanlı Non-invaziv küçük hayvan görüntüleme için el klinik Photoacoustic
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

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