Summary
Клинические портативных Фотоакустическая система будет продемонстрирована для реального времени неинвазивные мелких животных изображений.
Abstract
Перевод Фотоакустическая визуализация в клинике является серьезной проблемой. Портативный реального времени клинических Фотоакустическая тепловизионных систем очень редки. Здесь мы приводим комбинированных Фотоакустическая и клинических ультразвуковой визуализации системы путем интеграции ультразвуковой зонд с легкой поставки для малых животных изображений. Мы демонстрируем это, показаны дозорных Лимфоузел изображений в мелких животных наряду с минимально инвазивной реального времени иглы руководство. Клиническая ультразвуковая платформы доступ к каналу данных позволяет интеграцию Фотоакустическая изображений приводит к ручной реального времени клинических Фотоакустическая система. Метиленовый синий был использован для дозорного Лимфоузел изображений на 675 Нм длины волны. Кроме того руководство иглы с двойной модальных УЗИ и Фотоакустическая томографии показали, с использованием изображений системы. Глубины изображения до 1,5 см была продемонстрирована с помощью лазера 10 Гц в Фотоакустическая изображений частоту кадров 5 кадров в секунду.
Introduction
Для обнаружения и определения стадии рака доступны различные методы обработки изображений. Некоторые из широко используемых изображений условия являются магнитно-резонансная томография (МРТ), рентгеновская компьютерная томография (КТ), рентген, УЗИ, (США), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), флуоресценции изображений, и т.д.1,2, 3 , 4. но, некоторые из существующих методов обработки изображений либо инвазивных, имеют вредные излучения, или медленно, дорогие, громоздких или недружественные пациентам. Таким образом существует постоянная необходимость разработки новых, быстро и экономически эффективные методы визуализации для диагностики и терапии5.
Фотоакустическая изображений (PAI) является формирующейся изображений техника, которая сочетает в себе богатую оптических контраст с высоким разрешением ультразвуковой глубже изображения глубина5,6,7,8, 9. В городке ПАЙ короткого лазерного импульса используется для облучения ткани. Свет получает поглощается ткани, что приводит к небольшой нагрев. Вследствие расширения термоупругих волны давления (в виде акустических волн) генерируются в ткани. Сгенерированный акустических волн (также известный как Фотоакустическая (PA) волны) приобретаются с датчика УЗИ wideband (ЕСН) за пределами границ ткани. Эти полученные сигналы ПА может использоваться для восстановления изображений ПА, структурной и функциональной информации внутри ткани. ПАЙ имеет широкий спектр приложений, в том числе: кровеносный сосуд изображений, сторожевого лимфатического узла изображений, сосудистую томографии головного мозга, опухоль изображения, Молекулярное воображение, и т.д.10,11,12, 13,,1415 ПАЙ имеет многочисленные приложения из-за ее преимущества, а именно: глубже глубина проникновения, хорошее пространственное разрешение и контраст высоких мягких тканей. Контраст в ИКМС может быть эндогенного от крови, меланина, и т.д. Когда эндогенного контраст не достаточно сильны, экзогенных контрастного вещества, как органические красители, наночастицы, квантовые точки,, и т.д.16,,1718,19 20 , 21 могут быть использованы для улучшения контрастности.
Хотя ПАЙ имеет множество преимуществ по сравнению с другими методы обработки изображений, клинический перевод по-прежнему очень большой проблемой. Основные ограничения являются громоздкий характер используются лазеры, большинство из UST, используемые для сбора данных не совместимы с клинических систем США и наличие коммерчески доступных клинических систем тепловидения США, которые дают доступ к каналу данных. Только недавно коммерческих клинических машин США доступ к необработанным данным стали доступны22. В этой работе мы стремимся продемонстрировать возможности ПАЙ с ручной настройки с помощью клинических США платформы. Мы стремимся продемонстрировать это, показывая неинвазивной визуализации дозорного лимфатические узлы (SLNs) в небольшой модели на животных.
Инвазивные груди опухоли являются одной из ведущих причин смерти от рака среди женщин. Диагностики и раннего Постановка рака молочной железы имеет жизненно важное значение для определения стратегии лечения, которые играют важную роль в прогноз пациента. Для груди Рак промежуточной дозорный биопсии лимфоузлов (БСЛУ), обычно используются23,24. SLN является основным Лимфоузел где возможность нахождения раковые клетки является самым высоким из-за метастазирование. SLNBs связаны с парентерального введения красителя или трассирующими радиоактивных, следуют резки открытой области с небольшой разрез и затем размещения SLN визуально в случае красителей или с помощью счетчика Гейгера, в случае радиоактивного трассирующими. После идентификации несколько СЛН удаляются для гистопатологические исследования24,25. Позитивные БСЛУ указывает, что опухоль имеет метастазы на близлежащие лимфатические узлы и, возможно, в другие органы. Отрицательный БСЛУ указывает, что вероятность метастазирования является незначительным26. БСЛУ имеет многочисленные осложнения, связанные с ним как онемение руки, лимфедема,27 и т.д.для устранения осложнений БСЛУ связанные, неинвазивная изображений техника необходима.
Для сопоставления СЛН в мелких животных и людей, ПА изображений широко изучены с помощью различных контраст агентов15,28,,2930,31 , 32. Однако, систем, используемых в настоящее время не может использоваться в клинической ситуации, как отмечалось ранее. Еще одна озабоченность решаться является хирургическая процедура, участвующих в БСЛУ28. Адаптация минимально инвазивных процедур для аспирационной биопсией тонкой иглой (FNAB) необходимо сократить время восстановления и побочные эффекты пациентов. В этой работе, клинических США система была использована для комбинированных США и ПА изображений было использовано. Для удобства использования в клинической установки, пользовательские сделал ручной держатель для жилищного строительства оптического волокна и Усть был разработан. Метиленовый синий (МБ) был использован для определения и сопоставления SLNs. Кроме того, для ликвидации осложнения, связанные с БСЛУ хирургии, неинвазивная реального времени иглы отслеживания также продемонстрировал.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
всех животных эксперименты были проведены в соответствии с утвержденными руководящими принципами и правилами институциональный уход животных и использования Комитетом Nanyang технологический университет, Сингапур (номер протокола животных ARF-SBS / NIE-A0263).
1. Портативный реального времени клинических ПА и нас Imaging системы
- схема ручной клинических ПАЙ системы 33 показан на рисунке 1a. Он состоит из оптический параметрический генератор (OPO) лазерной накачкой частоты вдвое наносекундных YAG насос лазер, отделенные оптический пучок ( рис. 1b), заказ 3D печати (держатель) Портативный зонд Рисунок 1 c) 33, клинической двойной модальных США и ПА системы и клинически совместимый линейный массив Усть (см. таблицу материалы).
- Запускать программное обеспечение, предоставленное производителем в клинической системы США, нажав на иконку для программного обеспечения с рабочего стола.
- От сенсорного экрана, выберите ' исследования ' кнопки для работы с системой США в режиме исследования. Нажмите на комбинированных США и ПА изображений сценарий из списка сценарии и нажмите кнопку "запустить" для изображений в комбинированном режиме.
- Синхронизации клинических США системы с лазер лазер триггер, или используя фотодиод.
Примечание: Подключение фиксированной sync из от лазера к sync системы США в. Убедитесь в том обеспечить позитивный сигнал Транзисторно транзисторная логика (ТТЛ) как сигнал синхронизации. Сигнал фотодиода может также использоваться для целей синхронизации. Синхронизация системы США в подключен к фотодиод детектор, с помощью модуля смещения фотодиод. Всякий раз, когда лазер установлен в ON, фотодиода дает сигнал для запуска и синхронизации лазера и системы США. Выполните этот шаг каждый раз. - Для включения лазера, включите переменного тока и поверните ключ слева на лазерный контроллер. Начало лазер после обеспечения повторения составляет 10 Гц (F10 будет отображаться на экране) и Q-переключатель задержки как низко как 170 МКС для обеспечения низкой лазерной энергии. Чтобы установить задержку, нажмите клавишу выбора до вы видите задержка значение и увеличить его до 170.
Примечание: Лазер занимает примерно 20 минут, чтобы теплый вверх - Открыть интерфейс программного обеспечения на компьютере и в goto меню введите волны как 675 Нм и нажмите ' начало ' кнопку для задания длины волны в 675 Нм.
Примечание: Лазер может быть настроен от 670 до 2500 Нм, однако, это нестабильной в 670 нм. - Нажмите кнопку спуска затвора и включите лазер с помощью переключателя для выравнивания лазерного луча с волокном ввода.
- С помощью диаметром 1 дюйм (2,5 см) Плоско выпуклые объектив фокусное расстояние 15 мм, фокус лазерного луча для локально тривиальное расслоение, таким образом, что весь свет падает на конце волокна ввода.
Примечание: Оптическое волокно имеет 1600 мелких волокон, сгруппированы вместе. Она раздваивается в середине с двумя концами прямоугольные вывода, которые имеют 800 оптических волокон. 800 волокна упаковываются в районе 0.1 x 4 см, в соответствии с размерами Усть. Диаметр сердечника каждого оптического волокна составляет 185 мкм, с числовой апертуры 0,22. - Выключите лазер после выравнивания.
- Из 4 зонд Держатели с разными углами освещения (0°, 5°, 10° и 15°) выберите соответствующий зонд держатель, основанные на применении (глубина обработки изображений, размер объекта, форма объекта и местоположение объекта).
Примечание: Зонд Держатели были разработаны и 3D печать в лаборатории. Она имеет три разъема, два отделенные оптических волокон и Централь одно для Усть. Размеры держателя зонд было основано на размеры волоконно-оптических и Усть. Моделирование Монте-Карло были сделаны для изучения света освещение, необходимые для визуализации SLNs на более высокой глубине. SNR был выше на дне для освещения 15 ° 33. - Fit отделенные оптического волокна в 3D печатной зонд держатель углом света освещение 15˚.
- Центр гнездо держателя вставьте Усть.
Примечание: На рисунке 1 d показывает фотография владельца зонд с оптического волокна и Усть. Линейный массив Усть имеет 128 элементов массива. Центральная частота Усть-8,5 МГц и дробные пропускная способность составляет 95%. Длина Усть-3.85 см. Однако система имеет только 64 параллельных данных приобретение оборудования и требует что две лазерные импульсы для сбора данных от всех 128 элементов. Таким образом, эффективных кадров системы составляет половину частота следования импульсов лазерного излучения, который является 5 кадров в вторая 34. - Настроить расстояние между Усть и конца волокна до 1 см, ослабив винты на стороне и затяните его после корректировки точное расстояние.
Примечание: Параметры оптимизированы для АПЛ изображений с моделирования и фантомные эксперименты 33. Усть может быть обеспечено с два винта на держателе зонд. Это дает возможность гибко изменять расстояние между волоконно-оптических и Усть. - Выключатель на лазерной и убедитесь, что для получения прямоугольной лазерный луч месте напротив Усть.
- Переключатель от лазера. Увеличение энергии лазера (путем увеличения задержки) нужное значение для визуализации цели.
Примечание: Обратитесь к руководству максимальной задержки, которые могут быть установлены для Nd: YAG лазер. Значение требуемой задержки для этой системы для АПЛ изображений было присвоено 210.
2. Характеристика резолюции
- взять коммерчески доступных курица плита ткани и разрезать его на плите 2 6 x 6 см. Ножом нарезать толстыми ломтиками 0,5 см.
- Место point объект, как иглой 23 G диаметром 0.6 мм, поверх ткани куриная грудка.
- Выключатель на лазер.
Предупреждение: Следует носить защитные очки при работе с лазером на оставшуюся часть протокола. Исключение было сделано во время процесса выравнивания, так как лазерная энергия была слаба. - Взять па образы иглы на разных глубинах, складывая несколько куриные груди тканей срезы толщиной 0,5 см один в 1 до 3 см. применить США гель между слоями ткани куриная грудка улучшить нас муфты.
- Сохранять и хранить изображения, луч формируется как файл .mat.
- Выключите лазер.
- Обработки данных с собственного кода с помощью изображений, обработки программного обеспечения 17.
Примечание: Для определения осевого и боковых резолюции, найти точки распространения функция от нормализованных сигналов ПА в соответствующих направлениях и подогнать их функция распределения Гаусса 17. Получите полную ширину в половина максимума. Для получения точки распространения функция, требуется изображение точки. Однако существует еще один способ получения точки распространения функция при визуализации объекта точки трудно (как в нашем случае, для целевого объекта очень крошечные точки сигнал является довольно небольшим, и поэтому мы используем немного больше целевого). Если целевой объект является большим, вместо того чтобы напрямую получать точки распространения функция, можно получить края распространения функция. Затем, взяв первую производную края распространения функция, можно получить точку распространения функция. Таким образом, это не абсолютно необходимо использовать целевой объект точки для расчета резолюции 22.
3. Животных подготовка к СЛН Imaging
< p класс = «jove_conПалатка "> Примечание: ручной клинических изображений системы, описанные выше был продемонстрирован для визуализации зверек СЛН. Для экспериментов были закуплены 6 - до 8-недельных здоровых, женский Крысы (NTac:Sprague Dawley, 220 ± 30 g). Самок крыс используются потому, что возникновение рака молочной железы у самцов крыс реже. Однако самцов крыс может также использоваться для исследований. Кроме того, в литературе, самок крыс используются более широко для визуализации СЛН.- Крыса анестезии перед изображений, анестезировать крыса анестезии раствором, который содержит коктейль из кетамин (100 мг/мл), Ксилазина (20 мг/мл) и инъекционного солевой раствор в пропорции 2:1:1. Добавить 0,2 мл коктейль на 100 г веса животных в стерильные хирургические 1 мл шприц с иглой (27G, ½ дюйма).
- Загривок шеи крысы вручную и продезинфицируйте правом нижнем квадранте живота с спиртом. Внедрить решение анестезии в тело животного.
- Убедитесь, что животное невосприимчивы путем проверки рефлекс на мыс пинча.
- Для АПЛ изображений, удаление волос из региона интерес нежно с коммерчески доступных депиляционный крем. Используйте как необходимые для покрытия области полностью. Удалите крем с мокрой ватным тампоном после 3-5 мин применения. Чтобы предотвратить глаза от сухости и случайного лазерной повреждения, применять мазь искусственные слезы.
- Место blue underpad на стол и положение животного боком на нем. Администрировать ингаляционной анестезии через носовой конус (0,75% изофлюрановая вместе с кислородом (1,2 Л/мин)) для сохранения животного под наркозом во время экспериментов. Клип пульсоксиметр на задние лапы крысы для мониторинга сердечного ритма и периферийных кислородного насыщения всей экспериментов.
Примечание: Убедитесь, что животное тепло с помощью грелки, утвержденных для использования животных.
4. В естественных условиях SLN Imaging крысы
- до изображения, применять 0,5 – 1 мл США геля на кожу с помощью шприца и распространение его хорошо с помощью аппликатора. Поместите кусочек ткани 0,5 см толщиной куриная грудка размер 6 x 6 см на области изображения и применять более США гель на куриные ткани для улучшения сцепления.
Примечание: LNs расположены под кожу (в течение 2-3 мм) в крыс. В организме человека LNs находятся на глубине от 1 см. Следовательно, курица ткани помещается в области визуализации крыса имитировать человека изображений сценарий. Кроме того, ткани, подражая фантомы могут использоваться вместо курицы ткани. - Переключатель лазера. Место ручной зонд держателя верхней части цыпленка ткани и сканирования ИТ (перемещение держателя справа налево) в комбинированном режиме США и PA.
Примечание: Лазерный луч площадью около 3 см 2 и флюенса рассчитывается как приблизительно 8 МДж/см 2, которая меньше, чем американский национальный институт стандартов (ANSI) предел безопасности (20 МДж/см 2) 35 . Изображения глубина устанавливается до 2 см в клинической системы США. Защитные очки нужно носить на все времена когда лазер включается. - Установить тепловизионные глубину до 2 см для ПА imaging.
- Получить элемент управления изображение региона интерес, выше передней ногой в грудной области, путем перемещения из стороны в сторону ручной зонд до инъекции контрастного вещества.
Примечание: Все данные сохраняются в луч сформированные данные типа для дальнейшей обработки. - Придать 0,2 мл контрастного вещества, (т.е., MB (10 мг/мл)) в лапы животного и массаж это хорошо для 2 минут для облегчения контраст агента движения в лимфатические узлы через лимфатические сосуды. Зонд
- сканирования через 5 мин с handheld вдоль курица ткани, чтобы найти АПЛ с помощью сигнала ПА.
Примечание: Все кадры сохраняются в тип данных, луч сформированная. - Нажмите на ' замораживание ' от элементов управления на системы США и нажмите кнопку ' экспортировать выбранные кадры ' кнопку монитор с сенсорным экраном для экспорта записанных данных.
Примечание: Данные могут храниться в различных форматах, а именно, пучок формируется, сканирования преобразованы, канал и I.Q. - Добавить 2 более слои 0,5 см толщиной курица ткани срезов на вершине животных по одному и найдите SLN для демонстрации возможности визуализации до 1,5 см глубины.
- После съемки, удалите все ломтики курицы ткани
- Выключите лазер.
5. Спектроскопия СЛН ПА
- Поместите кусочек ткани 0,5 см толщиной куриная грудка на крыса.
- Установка длины волны лазерного как 670 нм, с использованием программного обеспечения.
- Переключатель лазера. Сканирование с использованием датчика вдоль грудки ткани на области найдите SLN с помощью сигнала ПА.
- Держать датчик на стабильной после выявления СЛН.
- На лазер, настройки программного обеспечения, введите волны как 800 Нм лазер программного обеспечения, установите скорость как 10 Нм/s и нажмите кнопку ' начало ' кнопку.
Примечание: Это будет варьироваться длина волны от 670 нм до 800 Нм при скорости 10 нм/с. Диапазон длин волн, чтобы быть изменены зависит от спектра поглощения использования агента контраст. МБ имеет резкий пик около 670 нм. - Наблюдать изменения в ПА сигнал с длиной волны перемен.
- Выключите лазер.
- Удаление ткани кусочек курицы.
6. ПАЙ с помощью реального времени слежения иглы
- место 0,5 см толщиной куриная грудка срез ткани на животных. Установка длины волны в 675 Нм.
- Переключатель лазера. Переместить зонд для обнаружения и выявления АПЛ на экране с помощью сигнала ПА.
- В режиме реального времени слежения иглы
- Inject иглой 23 G, размеры 0,6 x 32 мм 2, параллельно Усть через ткани курица в животное достичь АПЛ, то время как руководящие его в режиме реального времени на клинических США системный монитор.
- После экспериментов, выключите лазер. Удаление ткани курица и Импульсный оксигемометр от животных и переместить животное на рабочем месте. Очистить УЗИ гель на крысу с хлопчатобумажные салфетки.
- Место животных на своей подстилке и контролировать его, до тех пор, пока он приходит в сознание.
- Вернуть его клетке животное, после его поведение является нормальным.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Рисунок 1: описание системы. () схематическое представление ПАЙ системы с двойным модальных клинические системы США. ПГС - оптический параметрический осциллятор, - оптический пучок, FH - волокна держатель, USM - клинических США машина. Волокна держатель интегрирует Усть и два комплекта волоконно-оптических вывода. Анестезия машины, изофлюрановая и кислорода используется для держать животное под наркозом во время экспериментов. (b) фотография отделенные оптического волокна. Я / P указывает входной конце волокна и O/P указывает два выходных концы волокна. (c) фотография владельца волокна с тремя слотами, два для волоконно-оптических и один для Усть. (d) фотография Усть и о концы фиксированным в держателе волокна. (e) осевой резолюции отличается на разных глубинах рассчитывается от полной ширины на половину максимального. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Для характеристики осевой и боковых разрешение тепловизионной системы, был использован иглы диаметром 0.6 мм. ПА сигнала вдоль осевой и бокового направления был заговор и установлены на функцию распределения Гаусса. Полная ширина на половину максимального был рассчитан на различных глубинах 1 см, 1,5 см, 2см, 2,5 см и 3 см. Сюжет для осевого резолюции показана на рисунке 1e. Осевой резолюции был рассчитан быть 207 ± 45 мкм. Латеральное разрешение ограничено поле элемента Усть. Теоретически латеральное разрешение-300 мкм, которая является размер элемента Усть. Латеральное разрешение, рассчитано исходя из приобретенного ПА образ иглы был 351 мкм.
МБ продовольственной и лекарствами (FDA) одобрил краситель для АПЛ воображения и клинически широко используется для БСЛУ. Таким образом для неинвазивной визуализации СЛН с ПАЙ широко был использован MB. Оптимальная длина волны 675 Нм был определен на основе оптического спектра и ограничения лазерного перестройки36. Рисунок 2a показаны фотографии бритые региона крысы для визуализации на АПЛ. Красная пунктирная линия показывает приблизительное изображений самолет для комбинированных США и ПА изображений. Все комбинированные ПА и США изображения показано являются скриншоты взяты из клинических США системного монитора. Рисунок 2b показывает комбинированных США и ПА изображение перед инъекцией МБ. Можно отметить, что на изображении нет сигнала ПА. Из США изображения лимфатических узлов может быть идентифицирован, но только наметанный глаз как контраст очень бедных. Кроме того с простой США изображений, АПЛ не смогите быть продифференцировано от других лимфатических узлов. Рисунок 2 c показывает комбинированное изображение США и ПА после инъекции MB. От этого образа СЛН очень легко могут быть определены из-за сильного сигнала ПА от MB в АПЛ.
Рисунок 2: SLN идентификации. () фотографии бритые изображений региона крысы для АПЛ изображений, красная пунктирная линия показывает приблизительное самолет США B-скан, а также ПАЙ; (b) комбинированные США и ПА изображение перед инъекцией MB, (c) комбинированный США и ПА изображения после инъекции MB. В баре шкалы на оси X и Y представляет одинаковую длину. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Реальном времени ПА спектроскопии может быть сделано с клинической ПА изображений системы путем изменения длины волны лазера при визуализации. МБ имеет резкий поглощения пик около 670 нм. Так, изменяя длину волны от 670 нм до 800 Нм, медленно исчезнет ПА сигнал от СЛН. На рисунке 3a -c показывает АПЛ на 670 нм, 700 Нм до 800 Нм, соответственно.
Рисунок 3: реального времени ПА спектроскопии. (a) АПЛ на 670 нм, (b) АПЛ на 700 Нм, (c) АПЛ на 800 Нм. Линейку на X и ось Y представляет одинаковую длину. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
SLNs обычно расположены между 1-2 см Глубина от поверхности кожи человека. В мелких животных СЛН можно найти просто под кожу. Таким образом чтобы имитировать человека СЛН изображений сценарий, куриная грудка ткани был помещен на верхней поверхности кожи крысы. Кроме того чтобы продемонстрировать глубину визуализации, толщина ткани куриные груди увеличивается с шагом 0,5 см до 1,5 см. до 1,5 см глубокие изображений было отмечено с текущей настройки. Глубина обработки изображений можно добиться дальнейшего улучшения с высокой энергией лазера.
Рисунок 4: в реальном времени иглы руководство. (a) США изображением иглы руководство отмечен желтой стрелкой, (b) снимок экрана в сочетании нас и ПА изображением иглы руководство для АПЛ заполнены с МБ. Линейку на X и ось Y представляет одинаковую длину. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Неинвазивная идентификации, вместе с FNAB АПЛ, позволит уменьшить осложнения, связанные с БСЛУ хирургии. Ультразвуковое исследование является наиболее часто используемый метод для иглы руководство до сих пор37. Но, контраст США очень бедны, чтобы визуализировать иглы руководство в ткани. Неинвазивная, руководство реального времени иглы для биопсии СЛН с ПАЙ показано здесь. На рисунке 4a показано изображение руководство иглу у Вообразимый США только в АПЛ. Очевидно, что контраст, предоставленные США не является хорошим и потребностей наметанный глаз отслеживания и должным образом руководство иглу. Рисунок 4b показывает комбинированных США и ПА образ иглы руководство в естественных условиях. С ПА изображений контраст, полученные от иглы очень высока и может легко контролироваться и отслеживаются в естественных условиях. S1 фильм показывает видео PA изображений для иглы в vivo отслеживания. Когда игла достигнет АПЛ, небольшая часть ткани SLN может быть вывезены для дальнейшего гистологического исследования.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В настоящее время стоимость скрининга, диагностики и лечения рака является очень высокой. Существуют различные визуализации формы, которые используются для скрининга рака и диагностики. Однако много эти методы визуализации имеют ограничения включая размер громоздкие машины, инвазивная диагностика, недружелюбно пациентов, слишком дорого, требованием ионизирующего излучения, или использования радиоактивных контраст агентов. Таким образом необходима много эффективных, экономически эффективным, в реальном времени обработки изображений и система направляющих. Комбинированные США и ПА изображений является метод, который может использоваться для эффективного, неинвазивная скрининга, диагностики и постановка рака. Клинические ПА изображений могут быть сделаны более осуществимым с FDA утвержденных контрастного вещества такие как MB. Как ПА изображений это неинвазивные процедуры, он устраняет осложнения, связанные с БСЛУ хирургии.
Существуют некоторые проблемы, которые требуют внимания, прежде чем клинических ПАЙ становится успешным. Во-первых размер лазер, используемый для ПАЙ должен быть сделан более компактным. Они большие, тяжелые и часто требуют таблицы оптики для их размещения. Они также чувствительны к очень небольшие изменения в выравнивание, следовательно не портативный для клинического использования. Малые диодных лазеров дают очень низкое энергопотребление по сравнению с громоздкими OPO лазеры и часто не перестраиваемый. Недавно портативные лазеры ПГС были сделаны доступны. Это значительно поможет решить проблемы переносимости. Во-вторых интеграция света доставки с США зонд с высоким свет сцепления эффективности является сложной задачей. Малые диодные лазеры были интегрированы в Усть сам. Однако власть намного ниже и требует, что обычай сделал изменения в UST, которые делает его даже более дорогих38. Эффективной внешней муфта света и ЕСН необходимо сделать. В-третьих наличие коммерческих клинических изображений системы США для ПАЙ доступ к каналу данных и совместимых UST для сбора данных. Недавно такие системы стали доступны коммерчески.
Другие незначительные проблемы заключаются в расширении эффективной визуализации частоту кадров. Это в настоящее время ограничена частота следования импульсов лазерного. Большинство OPO лазеры имеют импульсов частотой повторения до 200 Гц. Импульсные лазеры диода имеют намного выше частота следования импульсов в нескольких кГц. Использование этих лазеров поможет в совершенствовании изображений рамка оценить значительно34. Кроме того наличие очень немногие FDA утвержденных контрастного вещества (как MB) является еще одним ограничением для клинических ПАЙ. Настоящее время проводится много исследований в поиске и тестирования различных контрастного вещества для ПАЙ. Другие незначительные аспекты также должны приниматься во внимание при выполнении ручной ПА изображений. Как мы используем ручной зонд на животных, будет некоторые ошибки из-за движения рук при обработке держателя. Особым вниманием следует свести к минимуму эту ошибку. Кроме того показывая реального времени иглы отслеживания, позиционирование иглы точно в плоскости в центр Усть очень важно получить максимальный сигнал ПА от иглы и отслеживать его успешно. Преодолев все эти проблемы, ПАЙ может быть жизнеспособной клинических изображений инструментом для широкого применения (Органеллы клетки органов) включая изображений кровеносных сосудов, сосудистую, головного мозга, опухоли, АПЛ, мочевого пузыря и циркулирующих клеток опухоли.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы имеют не соответствующие финансовые интересы в рукописи и без других потенциальных конфликтов интересов, раскрыть.
Acknowledgments
Авторы хотели бы отметить финансовую поддержку от Tier 1 исследовательский грант, финансируемого министерством образования в Сингапуре (RG48/16: M4011617) и Tier 2 исследовательских грантов, финансируемая министерством образования в Сингапуре (см2/15: M4020238). Авторы хотели бы признать доктор Rhonnie Австрия Dienzo за его помощь с обработки животных.
Materials
| 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 |
References
- Yun, S. H., Kwok, S. J. Light in diagnosis, therapy and surgery. Nat. Biomed. Eng. 1, 0008 (2017).
- Tseng, J., et al. Clinical accuracy of preoperative breast MRI for breast cancer. J. Surg. Oncol. , (2017).
- Baran, P., et al. Optimization of propagation-based x-ray phase-contrast tomography for breast cancer imaging. Phys. Med. Biol. 62 (6), 2315 (2017).
- Huzarski, T., et al. Screening with magnetic resonance imaging, mammography and ultrasound in women at average and intermediate risk of breast cancer. Hered. Cancer Clin. Pract. 15 (1), 4 (2017).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041006 (2017).
- Wang, L. V., Yao, J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nat. Methods. 13 (8), 627-638 (2016).
- Wang, L. V., Gao, L. Photoacoustic microscopy and computed tomography: from bench to bedside. Annu Rev Biomed Eng. 16, 155-185 (2014).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1 (4), 602-631 (2011).
- Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic tomography: fundamentals, advances and prospects. Contrast Media Mol Imaging. 6 (5), 332-345 (2011).
- Hai, P., et al. Label-free high-throughput detection and quantification of circulating melanoma tumor cell clusters by linear-array-based photoacoustic tomography. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041004 (2017).
- Upputuri, P. K., Kalva, S. K., Moothanchery, M., Pramanik, M. Pulsed laser diode photoacoustic tomography (PLD-PAT) system for fast in vivo imaging of small animal brain. Proc Spie. , 100645O (2017).
- Fakhrejahani, E., et al. Clinical report on the first prototype of a photoacoustic tomography system with dual illumination for breast cancer imaging. PLoS One. 10 (10), e0139113 (2015).
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Pan, D., et al. Molecular photoacoustic imaging of angiogenesis with integrin-targeted gold nanobeacons. FASEB J. 25 (3), 875-882 (2011).
- Erpelding, T. N., et al. Sentinel Lymph Nodes in the Rat : Noninvasive Photoacoustic and US imaging with a clinical US system. Radiology. 256 (1), 102-110 (2010).
- Gawale, Y., et al. Carbazole-Linked Near-Infrared Aza-BODIPY Dyes as Triplet Sensitizers and Photoacoustic Contrast Agents for Deep-Tissue Imaging. Chem. Eur. J. 23 (27), 6570-6578 (2017).
- Sivasubramanian, K., et al. Near Infrared light-responsive liposomal contrast agent for photoacoustic imaging and drug release applications. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041007 (2017).
- Huang, S., Upputuri, P. K., Liu, H., Pramanik, M., Wang, M. A dual-functional benzobisthiadiazole derivative as an effective theranostic agent for near-infrared photoacoustic imaging and photothermal therapy. J. Mater. Chem. B. 4 (9), 1696-1703 (2016).
- Huang, S., Kannadorai, R. K., Chen, Y., Liu, Q., Wang, M. A narrow-bandgap benzobisthiadiazole derivative with high near-infrared photothermal conversion efficiency and robust photostability for cancer therapy. Chem. Comm. 51 (20), 4223-4226 (2015).
- Wu, D., Huang, L., Jiang, M. S., Jiang, H. Contrast Agents for Photoacoustic and Thermoacoustic Imaging: A Review. Int. J. Mol. Sci. 15 (12), 23616-23639 (2014).
- Pramanik, M., Swierczewska, M., Green, D., Sitharaman, B., Wang, L. V. Single-walled carbon nanotubes as a multimodal-thermoacoustic and photoacoustic-contrast agent. J. Biomed. Opt. 14 (3), 034018 (2009).
- Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Sci. Rep. 6, 35137 (2016).
- McMasters, K. M., et al. Sentinel lymph node biopsy for breast cancer: a suitable alternative to routine axillary dissection in multi-institutional practice when optimal technique is used. J. Clin. Oncol. 18 (13), 2560-2566 (2000).
- Krag, D., et al. The sentinel node in breast cancer - a multicenter validation study. N. Engl. J. Med. 339 (14), 941-946 (1998).
- Borgstein, P. J., Meijer, S., Pijpers, R. Intradermal blue dye to identify sentinel lymphnode in breast cancer. The Lancet. 349 (9066), 1668-1669 (1997).
- Ung, O. A., South, N., Breast, W., Hospital, W. Australasian Experience and Trials in Sentinel Lymph Node Biopsy: The RACS SNAC Trial. Asian J. Surg. 27 (4), 284-290 (2004).
- Purushotham, A. D., et al. Morbidity after sentinel lymph node biopsy in primary breast cancer: results from a randomized controlled trial. J. Clin. Oncol. 23 (19), 4312-4321 (2005).
- Kim, C., et al. Handheld array-based photoacoustic probe for guiding needle biopsy of sentinel lymph nodes. J. Biomed. Opt. 15 (4), 046010 (2010).
- Garcia-Uribe, A., et al. Dual-Modality Photoacoustic and Ultrasound Imaging System for Noninvasive Sentinel Lymph Node Detection in Patients with Breast Cancer. Sci. Rep. 5, 15748 (2015).
- Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. Sentinel Lymph Nodes and Lymphatic Vessels: Noninvasive Dual-Modality in Vivo Mapping by Using Indocyanine Green in Rats-Volumetric Spectroscopic Photoacoustic Imaging and Planar Fluorescence Imaging. Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).
- Pan, D., et al. Near infrared photoacoustic detection of sentinel lymph nodes with gold nanobeacons. Biomaterials. 31 (14), 4088-4093 (2010).
- Song, K. H., Kim, C., Cobley, C. M., Xia, Y., Wang, L. V. Near-infrared gold nanocages as a new class of tracers for photoacoustic sentinel lymph node mapping on a rat model. Nano Lett. 9 (1), 183-188 (2009).
- Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Wen, K. K., Pramanik, M. Optimizing light delivery through fiber bundle in photoacoustic imaging with clinical ultrasound system: Monte Carlo simulation and experimental validation. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041008 (2017).
- Sivasubramanian, K., Pramanik, M. High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system. Biomed. Opt. Express. 7 (2), 312-323 (2016).
- Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. , NY. (2007).
- Prahl, S. Tabulated molar extinction coefficient for methylene blue in water. , Available from: http://omlc.ogi.edu/spectra/mb/mb-water.html (2016).
- Chapman, G. A., Johnson, D., Bodenham, A. R. Visualisation of needle position using ultrasonography. Anaesthesia. 61 (2), 148-158 (2006).
- Daoudi, K., et al. Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging. Opt. Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).
