Summary
Een klinische handheld photoacoustic imaging systeem zullen worden gedemonstreerd voor real-time niet-invasieve kleine dierlijke imaging.
Abstract
Vertaling van photoacoustic imaging in de kliniek is een grote uitdaging. Handheld real-time klinische photoacoustic imaging systemen zijn zeer zeldzaam. Wij rapporteren hier een gecombineerde photoacoustic en klinische echografie imaging systeem door de integratie van een ultrasone sonde met lichte levering voor kleine dieren imaging. We laten dit zien door tonen sentinel lymfeklier beeldvorming bij kleine dieren samen met minimaal invasieve real-time naald begeleiding. Een platform van de klinische echografie met toegang tot gegevens ruw kanaal maakt de integratie van photoacoustic imaging leidt tot een handheld real-time klinische photoacoustic imaging systeem. Methyleenblauw werd gebruikt voor sentinel lymfeklier beeldvorming bij 675 nm golflengte. Bovendien werd de naald begeleiding met dubbele modale echografie en photoacoustic imaging getoond met behulp van het imaging systeem. Diepte beeldvorming van maximaal 1,5 cm werd aangetoond met een laser 10 Hz bij een photoacoustic imaging beeldsnelheid van 5 beelden per seconde.
Introduction
Voor de detectie en de enscenering van kanker, verschillende beeldvormende technieken beschikbaar zijn. Sommige van de meest gebruikte beeldvormende modaliteiten zijn magnetische resonantie beeldvorming (MRI), X-Ray berekend tomografie (CT), X-Ray, ultrasound (VS), positron emissie tomografie (PET), fluorescentie imaging, etc.1,2, 3 , 4. maar dat, enkele van de bestaande imaging technieken invasieve, schadelijke straling, of zijn traag, duur, omvangrijk of onvriendelijk aan patiënten. Er is dus een constante behoefte om nieuwe te ontwikkelen, snelle en kosteneffectieve beeldvormingstechnieken voor diagnostiek en therapie5.
Photoacoustic (PAI) imaging is een opkomende imaging techniek, die optische contrastrijke met hoge ultrasone hoge resolutie op een diepere imaging diepte5,6,7,8combineert, 9. In PAI, wordt een korte laser impuls gebruikt voor weefsel bestraling. Het licht wordt geabsorbeerd door het weefsel die tot een kleine temperatuurstijging leidt. Als gevolg van de uitbreiding van de thermoelastic, worden drukgolven (in de vorm van akoestische golven) gegenereerd binnen het weefsel. De gegenereerde akoestische golven (ook bekend als photoacoustic (PA) golven) worden verworven met een wideband echografie transducer (UST) buiten de grenzen van het weefsel. Deze verworven PA-signalen kunnen worden gebruikt om te reconstrueren PA beelden, onthullen de structurele en functionele informatie binnen het weefsel. PAI heeft een breed scala van toepassingen, waaronder: bloedvat imaging sentinel lymfeklier beeldvorming hersenen therapieën imaging, beeldvorming van de tumor, moleculaire beeldvorming, etc.10,11,12, 13,14,15 PAI heeft talrijke toepassingen vanwege zijn voordelen, namelijk: diepere indringingsdiepte, goede ruimtelijke resolutie en hoge weke contrast. Het contrast in PAI kunnen endogene melanine, bloed, enz. Wanneer de endogene contrast niet sterk genoeg is, zoals exogene contrastmiddelen organische kleurstoffen, nanodeeltjes, quantumdots, etc.16,17,18,19, 20 , 21 kan worden gebruikt voor het verbeteren van het contrast.
Hoewel PAI tal van voordelen ten opzichte van andere beeldvormingstechnieken heeft, is klinische vertaling nog steeds een zeer grote uitdaging. De voornaamste beperkingen zijn het omvangrijke karakter van de lasers worden gebruikt, het merendeel van de USTs gebruikt voor data-acquisitie zijn niet compatibel met klinische Amerikaanse systemen, en de niet-beschikbaarheid van commercieel beschikbare klinische VS imaging systemen die toegang tot ruwe kanaal verschaffen gegevens. Pas onlangs, zijn commerciële klinische VS machines met toegang tot ruwe gegevens beschikbaar22geworden. In dit werk willen we de haalbaarheid van PAI aantonen met een handheld set-up met behulp van een klinische Amerikaanse platform. Wij streven ernaar om aan te tonen dat door aan te tonen van niet-invasieve beeldvorming van sentinel lymfklieren (SLNs) in een kleine diermodel.
Invasieve borstkanker tumoren zijn een van de belangrijkste doodsoorzaken kanker onder vrouwen. Diagnose en enscenering van kanker van de borst vroeg is essentieel voor het bepalen van de behandelingsstrategieën, die een belangrijke rol in de prognose voor de patiënt spelen. Voor borst kanker tijdelijke sentinel lymfeklier biopten (SLNB) meestal zijn gebruikt23,24. SLN is de primaire lymfeklier waar de mogelijkheid van het vinden van kankercellen de hoogste als gevolg van metastase. SLNBs betrekken via injectie een kleurstof of een radioactieve tracer, gevolgd door het gebied met een kleine incisie open snijden, en dan vinden de SLN visueel in het geval van kleurstoffen of met de hulp van een geigerteller, in het geval van een radioactieve tracer. Na identificatie, een paar SLN verwijderd voor histopathologisch onderzoek24,25. Positieve SLNB geeft aan dat de tumor is uitgezaaid naar nabijgelegen lymfeklieren en misschien naar andere organen. Negatieve SLNB geeft aan dat de kans op uitzaaiingen te verwaarlozen26. SLNB heeft talrijke complicaties gekoppeld zoals gevoelloosheid van de arm, lymfoedeem, etc.27 te elimineren van de SLNB bijbehorende complicaties, een niet-invasieve beeldvormende techniek nodig is.
Voor de toewijzing van de SLN aan kleine dieren en mensen, is PA imaging onderzocht uitgebreid met de hulp van verschillende contrast agenten15,28,29,30,31 , 32. echter, de systemen die momenteel worden gebruikt in een klinische scenario kunnen niet worden gebruikt zoals eerder opgemerkt. Een andere zorg worden aangepakt is de chirurgische procedure die betrokken zijn bij SLNB28. Aanpassing van minimaal invasieve procedures voor fijne naald aspiratie biopsie was (FNAB) nodig om de hersteltijd en de bijwerkingen van de patiënten te verminderen. In dit werk, een klinische Amerikaanse systeem werd gebruikt voor de gecombineerde VS en PA imaging werd gebruikt. Voor het gemak van gebruik in de klinische setup, een op maat gemaakte handheld houder voor huisvesting optische vezel en UST werd ontworpen. Methyleenblauw (MB) werd gebruikt voor de identificatie en toewijzing SLNs. Daarnaast te elimineren van de complicaties die zijn gekoppeld aan de chirurgie van de SLNB, niet-invasieve real-time naald bijhouden wordt ook aangetoond.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
alle dierproeven werden uitgevoerd volgens de goedgekeurde richtsnoeren en voorschriften door de Commissie institutionele Animal Care en gebruik van Nanyang Technological University, Singapore (dier protocolnummer ARF-SBS / NIE-A0263).
1. handheld Real-time klinische PA en ons Imaging System
- de schematische voorstelling van de handheld klinische PAI systeem 33 wordt getoond in Figuur 1a. Het bestaat uit een optische parametrische oscillator (OPO) laser gepompt door een frequentie verdubbelde nanosecond gepulseerde ND: YAG pomp laser, een gespleten optische vezelbundel ( Figuur 1b), een op maat gemaakte 3D afgedrukt (houder) handheld sonde Figuur 1 c) 33, klinische dual modale VS en PA systeem en een klinisch lineaire matrix Oest (zie tabel of Materials).
- Uitvoeren van de software die wordt geleverd door de fabrikant in de klinische Amerikaanse systeem door te klikken op het pictogram voor de software van de desktop.
- Van het touchscreen, selecteer het ' onderzoek ' knop te bedienen van het systeem van de V.S. in de onderzoek-modus. Klik op de gecombineerde VS en PA imaging script uit de lijst van scripts en klik op run voor beeldvorming in de gecombineerde modus.
- Synchroniseren de klinische Amerikaanse systeem met de laser met behulp van de laser-trigger uit of met behulp van een fotodiode.
Opmerking: Sluit de vaste synchronisatie uit van de laser aan Amerikaanse systeem sync in. Zorg ervoor om te zorgen voor positieve Transistor-transistor-logic (TTL) signaal als het synchronisatiesignaal. Een fotodiode signaal kan ook worden gebruikt voor sync doel. Het Amerikaanse systeem sync in is verbonden met de fotodiode detector met behulp van een fotodiode bias module. Wanneer de laser ingeschakeld is, geeft de fotodiode een signaal te activeren en synchroniseren van zowel de laser als het Amerikaanse systeem. Voer deze stap uit telkens. - Inschakelen van de laser, ga op netstroom en draai de sleutel aan de linkerkant op de laser-controller. Start de laser als u zeker bent van de herhaling snelheid is 10 Hz (F10 wordt getoond op het display) en de vertraging van de Q-switch is zo laag als 170 µs om lage laser energie. Als u wilt instellen van de vertraging, druk op de selecteertoets tot u ziet de vertraging waarde en verhogen tot 170.
Opmerking: De laser gaat ongeveer 20 min naar warme omhoog - Open de software-interface op een computer en in de goto menu Voer de golflengte als 675 nm en druk op de ' start '-knop om de golflengte op 675 nm.
Opmerking: De laser kan worden afgestemd van 670 op 2500 nm, echter het is onstabiel op 670 nm. - Druk op de sluiterknop en zet de laser met de schakeloptie uitlijnen van de laserstraal naar de fiber ingang.
- Met een 1 inch (2,5 cm) diameter plano-bolle lens van brandpuntsafstand 15 mm, focus de laserstraal naar de vezelbundel zodanig dat al het licht op de vezel invoer einde valt.
Opmerking: De optische vezel heeft 1600 kleine vezels gebundeld. Het wordt gespleten in het midden met twee uiteinden van de rechthoekige uitvoer hebben 800 optische vezels elke. De 800 vezels zijn verpakt in een gebied van 0.1 x 4 cm, zodat deze overeenkomen met de afmetingen van het UST zijn met. De kerndiameter van elke optische vezel is 185 µm, met een numerieke diafragma van 0.22. - De laser uitschakelen na uitlijning.
- Van de 4 sonde houders met verschillende hoeken van de verlichtingssterkte (0°, 5°, 10° en 15°) Kies de juiste sonde houder op basis van de toepassing (diepte van imaging, grootte van het object, vorm van het object, en de locatie van het object).
Opmerking: De sonde houders werden ontworpen en 3D afgedrukt in het lab. Het heeft drie sleuven, twee voor de gespleten optische vezels en de centrale een voor het UST. De dimensie van de houder van de sonde was gebaseerd op de afmetingen van de optische vezel en het UST. Monte Carlo simulaties werden gedaan om te bestuderen van de lichte verlichting nodig voor SLNs op hogere diepte denkbaar. SNR was hoger op een lagere diepte voor een verlichting van 15 ° 33. - De gespleten optische vezel past de 3D gedrukte sonde houder op een lichte lichtinvalshoek 15˚.
- u de UST in de gleuf van de centrum van de houder.
Opmerking: Figuur 1 d toont de foto van de houder van de sonde met de optische vezel en UST. De lineaire array UST 128 Arrayelementen heeft. De center frequentie van het UST is 8,5 MHz en de fractionele bandbreedte is 95%. De lengte van het UST is 3,85 cm. Echter het systeem heeft alleen 64 parallel data-acquisitie hardware en vereist dat twee laser pulsen om gegevens te verzamelen van alle 128 elementen. De effectieve frame rate van het systeem is daarom de helft de herhaling polsslag van de laser, oftewel 5 raamwindow via tweede 34. - Pas de afstand tussen het UST en het einde van de vezel tot 1 cm door het losdraaien van de schroeven aan de kant en draai het na het aanpassen van de exacte afstand.
Opmerking: De parameters zijn geoptimaliseerd voor SLN imaging met simulatie en phantom experimenten 33. Het UST kan worden beveiligd met de twee schroeven aan de houder van de sonde. Dit biedt de flexibiliteit om te variëren van de afstand tussen het optische en het UST. - Schakelaar op de laser- en vergeet niet om het verkrijgen van een rechthoekig laserstraal ter plaatse vóór het UST.
- Switch uit de laser. Verhogen van de energie van de laser (doordat de vertraging) naar de gewenste waarde voor de beeldvorming doel.
Opmerking: Raadpleeg de handleiding voor de maximale vertraging die kan worden ingesteld voor de ND: YAG laser. De vertragingswaarde van de gewenste voor dit systeem voor SLN imaging was ingesteld op 210.
2. Resolutie karakterisering
- Neem de verkrijgbare kip weefsel plaat en snijd het in een 6 x 6 cm 2 plaat. Gebruikend een mes snijd het in dikke sneden van 0,5 cm.
- Plaatst u een punt-object, zoals een 23 G naald met diameter 0,6 mm, op de top van kip borstweefsel. Switch ON de laser
- .
Let op: Veiligheidsbril moeten gedragen worden bij het werken met de laser voor de rest van het protocol. Een uitzondering werd gemaakt tijdens het uitlijning proces, aangezien de laser energie zwak was. - PA nemen beelden van de naald op verschillende diepten door het stapelen van meerdere kip borstkanker weefsel segmenten van dikte 0.5 cm één-door-één omhoog aan toepassen U.S. gel 3 cm. tussen de lagen van het weefsel van de kipfilet om ons koppeling.
- Opslaan en de bundel-ingedeelde afbeeldingen opslaan als .mat bestand.
- Uitschakelen van de laser.
- Verwerken de gegevens met de in-house code met behulp van beeld processing software 17.
Opmerking: Om te bepalen van de axiale en laterale resolutie, de punt-spread-functie van de genormaliseerde PA signalen langs de respectieve aanwijzingen vinden en ze passen bij een Gaussiaanse distributie functie 17. De volle breedte op halve maximaal te verkrijgen. Voor het verkrijgen van de functie van het punt verspreiden, is het nodig om het imago van een punt. Er is echter een andere manier van het verkrijgen van een punt verspreiden functie wanneer imaging een punt doelwit moeilijk is (zoals in ons geval, voor een heel klein punt doel het signaal vrij klein is en daarom we een iets groter doel gebruiken). Als het doel is groot, in plaats van direct krijgen van het punt verspreiden functie, kunt krijgen een rand verspreiden-functie. Door het nemen van de eerste afgeleide van de functie van de rand verspreiden, kan men dan de punt verspreiden functie krijgen. Daarom, is het niet absoluut noodzakelijk om een punt doel gebruiken voor het berekenen van de resolutie 22.
3. Dierlijke voorbereiding SLN Imaging
< p class = "jove_content "> Opmerking: handheld klinische beeldvorming hierboven beschreven systeem mag voor imaging-klein dier SLN werd aangetoond. Voor experimenten, werden 6 tot 8-weken oude gezond, vrouwelijke ratten (NTac:Sprague Dawley, 220 ± 30 g) aangeschaft. Vrouwelijke ratten worden gebruikt omdat het voorkomen van borstkanker bij mannelijke ratten minder frequent is. Mannelijke ratten kunnen echter ook worden gebruikt voor de studies. Daarnaast in de literatuur worden vrouwelijke ratten gebruikt meer algemeen voor de beeldvorming SLN.- Rat afstomping
- voor imaging, anesthetize de rat met de verdoving oplossing, waarin een cocktail van ketamine (100 mg/mL), xylazine (20 mg/mL) en injecteerbare zoutoplossing op een verhouding van 2:1:1. 0,2 mL van de cocktail per 100 g van dierlijke gewicht toevoegen aan een steriele chirurgische 1 mL injectiespuit met naald (27G, ½ inch).
- Scruff de nek van de rat met de hand en desinfecteren van de recht-lower kwadrant van de buik met een alcohol doekje. Injecteren van verdoving oplossing in het dierlijk lichaam.
- Zorgen ervoor dat het dier wordt verdoofd door te controleren voor reflex op Teen snuifje.
- Voor SLN imaging, verwijderen haren uit de regio van belang voorzichtig met verkrijgbare haar verwijdering room. Gebruik zo veel als nodig is ter dekking van het gebied volledig. Verwijder de crème met een NAT wattenstaafje na 3-5 min van toepassing. Voorkom ogen tegen droogte en toevallige laser schade en het toepassen van kunstmatige scheur zalf.
- Plaats blauw underpad op tafel en plaats het dier zijwaarts op het. Inademing verdoving via een neus kegel (0,75% van Isofluraan samen met zuurstof (1.2 L/min)) om het dier onder narcose tijdens experimenten beheren. Clip van de Pulsoximeter naar de achterste poot van de rat te bewaken de hartslag en de verzadiging van de perifere zuurstof tijdens experimenten.
Opmerking: Zorg ervoor dat het dier is warm met behulp van een verwarming pad goedgekeurd voor dierlijk gebruik.
4. In Vivo SLN Imaging van ratten
- voor imaging, 0,5 tot 1 mL van Amerikaanse gel van toepassing op de huid met behulp van een spuit en verspreid het goed met een applicator. Plaats een 0.5 cm dikke kipfilet weefsel plakje formaat 6 x 6 cm op het imaginggebied en meer Amerikaanse gel van toepassing op het weefsel van de kip om koppeling.
Opmerking: LNs bevinden zich onder de huid (binnen 2-3 mm) bij ratten. Bij de mens, LNs zijn op een diepte van 1 cm. dus, kip weefsel wordt geplaatst in het imaginggebied van rat om na te bootsen de menselijke beeldvorming scenario. Als alternatief, weefsel nabootsen phantoms kan worden gebruikt in plaats van kip weefsel. - Schakelaar op de laser. Plaats de handheld sonde-houder bovenop de kip weefsel en scan it (Beweeg de houder rechts naar links) in de gecombineerde VS en PA modus.
Opmerking: Het gebied van de laserstraal is ongeveer 3 cm 2 en fluentie wordt berekend als ongeveer 8 mJ/cm 2, dat minder dan de opgegeven limiet van American National Standards Institute (ANSI), veiligheid (20 mJ/cm 2 is) 35 . De imaging diepte is ingesteld op 2 cm in de klinische Amerikaanse systeem. Veiligheidsbril moeten gedragen worden in alle tijden wanneer de laser wordt ingeschakeld. - De imaging diepte voor PA imaging ingesteld op 2 cm.
- Krijgen een beeld van de controle van de regio van belang, boven het voorste been in de thoracale gebied, door het bewegen van de handheld sonde van links naar rechts vóór injectie van de agent contrast.
Opmerking: Al de gegevens zijn opgeslagen in de data bundel-gevormd typt voor verdere verwerking. - Injecteren van 0,2 mL van het agens met contrast, (dat wil zeggen, MB (10 mg/mL)) in het forepaw van het dier en masseer het goed voor 2 min om contrast agent verkeer naar de lymfeklieren via de lymfevaten.
- Scan na 5 min met de handheld sonde langs het weefsel van de kip te vinden de SLN met behulp van de PA signaal.
Opmerking: Alle frames worden opgeslagen in het gegevenstype lichtbundel gevormde. - Klik op de ' freeze ' knop van de besturingselementen op het Amerikaanse systeem en klik op de ' exporteren geselecteerde frames ' de knoop van de Aanraking scherm om de opgenomen gegevens te exporteren.
Opmerking: Gegevens kunnen worden opgeslagen in verschillende formaten namelijk straal gevormd, scan geconverteerd, kanaal en IQ - 2 meer lagen van 0,5 cm dik kip weefsel segmenten op de top van het dier één voor één toevoegen en zoek de SLN om aan te tonen van de haalbaarheid van diepte imaging tot 1,5 cm.
- Na imaging, het verwijderen van alle weefsel-segmenten van de kip
- Uitschakelen van de laser.
5. PA spectroscopie van SLN
- een 0.5 cm dikke kipfilet weefsel segment plaats op de rat.
- Set van de golflengte van de laser als 670 nm de softwarematig.
- Schakelaar op de laser. Scannen met de sonde langs het weefsel van de borst van de kip op het gebied te vinden de SLN met behulp van de PA signaal.
- De sonde stabiel te houden na het identificeren van de SLN.
- Op de laser afstemmen van software die is geleverd, voert u de golflengte als de 800 nm in de laser software, stel de snelheid als 10 nm/s, en klik op de ' start ' knop.
Opmerking: Dit zal variëren de golflengte van 670 nm tot 800 nm bij een snelheid van 10 nm/s. Het golflengtegebied gevarieerd hangt af van het absorptiespectrum van de agent van de contrast gebruikt. MB heeft een scherpe piek van ongeveer 670 nm. - Observeren van de verandering in PA signaal met golflengte verandering.
- Uitschakelen van de laser.
- Verwijderen van de kip weefsel slice.
6. Real-time naald bijhouden met behulp van PAI
- plaats een 0.5 cm dikke kipfilet weefsel slice op het dier. Stel de golflengte op 675 nm.
- Schakelaar op de laser. Verplaatsen van de sonde te vinden en identificeren van SLN op scherm met behulp van de PA signaal.
- Real-time naald bijhouden
- injecteren een 23 G naald, voor afmetingen 0,6 x 32 mm 2, parallel aan het UST via het kip-weefsel in het dier tot de SLN, tijdens het begeleiden van het in real-time op de klinische VS Systeemmonitor.
- Na experimenten, de laser uit te schakelen. Verwijderen van het weefsel van de kip en pulse oximeter van het dier en het dier naar de werk-Bank. De ultrageluid-gel op de rat met katoen veegt schoon.
- Plaats van het dier op zijn beddengoed en volgen het totdat het bewustzijn herwint.
- Na het gedrag normaal is het dier terugkeren naar zijn kooi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 1: de beschrijving van het systeem. (a) schematische weergave van de PAI-systeem met dubbele modale klinische Amerikaanse systeem. OPO - optische parametrische oscillator, van - optische vezelbundel, FH - vezel houder, USM - klinische VS machine. De houder van de vezel integreert het UST en twee output optische vezelbundel. De machine van de verdoving leveren Isofluraan en zuurstof wordt gebruikt om te houden van het dier onder verdoving tijdens de experimenten. (b) foto van de gespleten optische vezel. Ik / P geeft de ingang einde van de vezel en de O/P geeft aan de twee uiteinden van de vezel uitgang. (c) pasfoto van de houder van de vezel met drie sleuven, twee voor de optische vezel en één voor het UST. (d) foto van het UST en de uiteinden van de van vast in de houder van de vezel. (e) axiale resolutie gekenmerkt op verschillende diepten berekend op basis van de volle breedte op halve maximum. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
De resolutie van de axiale- en zijranden van de imaging systeem karakteriseren, werd een naald van 0.6 mm diameter gebruikt. Het PA-signaal langs de axiale en laterale richting was uitgezet en gemonteerd op een Gaussiaanse distributiefunctie. De volle breedte op halve maximum werd berekend op verschillende diepten van 1 cm, 1.5 cm, 2 cm, 2,5 cm en 3 cm. De plot voor axiale resolutie wordt weergegeven in Figuur 1e. De axiale resolutie werd berekend als 207 ± 45 µm. De laterale resolutie wordt beperkt door de toonhoogte element van het UST. Theoretisch is de laterale resolutie 300 µm, oftewel de grootte van het element van het UST. De laterale resolutie berekend op basis van de verworven PA-beeld van de naald was 351 µm.
MB is een Food en Drug Administration (FDA) goedgekeurde kleurstof voor SLN imaging en wordt veel klinisch gebruikt voor SLNB. Daarom is voor noninvasive imaging van SLN met PAI uitgebreid MB gebruikt. Een optimale golflengte van 675 nm was bepaald op basis van de optische spectrum en de beperkingen van de laser tunability36. Figuur 2a toont de foto van de geschoren regio van de rat voor SLN imaging. De rode onderbroken lijn toont het geschatte imaging vlak voor de gecombineerde VS en PA imaging. Alle gecombineerde PA en VS beelden getoond zijn screenshots genomen uit de klinische VS Systeemmonitor. Figuur 2b toont de gecombineerde VS en PA beeld vóór injectie van MB. Opgemerkt kan worden dat er geen PA-signaal in de afbeelding is. Uit de VS, kunnen beelden van de lymfeklieren worden geïdentificeerd, maar alleen door een getraind oog als het contrast zeer slecht is. Bovendien, met duidelijke afbeeldingen van de VS, kan niet de SLN worden onderscheiden van de andere lymfklieren. Figuur 2 c toont de gecombineerde VS en PA beeld na MB injectie. Van dit beeld, kan de SLN zeer gemakkelijk worden geïdentificeerd als gevolg van het sterke signaal PA van MB in de SLN.
Figuur 2: SLN identificatie. (a) foto van de geschoren imaging regio van de rat voor SLN imaging, de rode stippellijn toont de geschatte vliegtuig van B-scan VS evenals PAI; (b) gecombineerde VS en PA afbeelding vóór MB injectie, (c) VS en PA beeld gecombineerd na MB injectie. De bar van de schaal op de X- en Y-as vertegenwoordigt de dezelfde lengte. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Real-time PA spectroscopie kan worden gedaan met de klinische PA imaging systeem door het variëren van de golflengte van de laser terwijl imaging. MB heeft een scherpe absorptie piek rond 670 nm. Ja, door het variëren van de golflengte van 670 nm tot 800 nm, het signaal van de PA van de SLN verdwijnt langzaam. Figuur 3a -c toont de SLN op 670 nm, 700 nm, en 800 nm, respectievelijk.
Figuur 3: Real-time PA spectroscopie. (a) SLN op 670 nm, (b) SLN bij 700 nm, (c) SLN bij 800 nm. De bar van de schaal op de X en Y-as vertegenwoordigt de dezelfde lengte. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
SLNs liggen meestal tussen de 1-2 cm van de diepte van het huidoppervlak bij de mens. Bij kleine dieren, kan de SLN net onder de huid worden gevonden. Daarom, om na te bootsen van een menselijke SLN imaging scenario, kipfilet weefsel werd geplaatst aan de bovenkant van het huidoppervlak van de rat. Bovendien, om aan te tonen diepte imaging, de dikte van de kip borstweefsel wordt verhoogd in stappen van 0,5 cm tot 1,5 cm. maximaal 1,5 cm diepe imaging geconstateerd met de huidige setup. De imaging diepte kan verder worden verbeterd met hogere laser energie.
Figuur 4: Real-time naald begeleiding. (a) VS-afbeelding toont naald begeleiding gekenmerkt door de gele pijl, (b) zeef stoot van ons gecombineerd en PA afbeelding toont naald begeleiding voor de SLN gevuld met MB. De bar van de schaal op de X en Y-as vertegenwoordigt de dezelfde lengte. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Niet-invasieve identificatie, samen met FNAB van SLN, zal het verminderen van complicaties geassocieerd met SLNB chirurgie. Ultrasonografie is de meest gebruikte techniek voor de oriëntatie van de naald tot nu37. Maar, het contrast van de VS is zeer slecht te visualiseren naald begeleiding in weefsel. Niet-invasieve, real-time naald begeleiding voor biopsie van SLN met PAI wordt hier weergegeven. Figuur 4a toont het beeld van naald begeleiding door Amerikaanse imaging alleen in de SLN. Het is duidelijk dat het contrast geboden door Amerikaanse niet goed is en een getraind oog moet voor het bijhouden en de naald goed begeleiden. Figuur 4b toont de gecombineerde VS en PA-beeld van de naald begeleiding in vivo. Met PA imaging, het contrast verkregen van de naald is zeer hoog en kan gemakkelijk worden gecontroleerd en bijgehouden in vivo. Film S1 toont de video van PA imaging voor in vivo naald bijhouden. Zodra de naald de SLN bereikt, kan een klein gedeelte van de SLN weefsel voor verdere histopathologisch onderzoek worden genomen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Momenteel is de kosten van de screening, diagnose en behandeling van kanker zeer hoog. Er zijn verschillende modaliteiten die worden gebruikt voor de screening op kanker en de diagnose imaging. Veel van deze beeldvormende technieken hebben echter beperkingen waaronder omvangrijk machine grootte invasieve diagnose, unfriendliness aan patiënten, te duur, vereiste van ioniserende straling, of het gebruik van radioactieve contrastmiddelen. Een efficiënte, kosteneffectieve en real-time beeldvorming en richtsysteem is daarom hard nodig. Gecombineerde VS en PA imaging is een techniek die kan worden gebruikt voor effectieve, niet-invasieve screening, diagnose, en de enscenering van kanker. Meer haalbaar van klinische PA imaging met FDA goedgekeurd contrastmiddelen zoals MB kan plaatsvinden. Als PA imaging een niet-invasieve procedure is, elimineert het het aan SLNB chirurgie gerelateerde complicaties.
Er zijn enkele uitdagingen die aandacht behoeven voordat klinische PAI succesvol wordt. In de eerste plaats moet de grootte van de laser gebruikt voor PAI compacter worden gemaakt. Ze zijn groot, zwaar, en vereisen vaak een optische tafel om ze te huisvesten. Ze zijn ook gevoelig voor zeer kleine veranderingen in de uitlijning, vandaar niet draagbare voor klinisch gebruik. Kleine diodelasers opbrengst zeer lage macht in vergelijking met omvangrijk OPO lasers en zijn vaak niet afstembare. Onlangs, hebben draagbare OPO lasers beschikbaar gesteld. Dit kan sterk het oplossen van het probleem van de overdraagbaarheid. Ten tweede, de integratie van lichte levering met de Amerikaanse sonde met hoge licht koppeling efficiëntie is een uitdagende taak. Kleine Diodelasers hebben geïntegreerd binnen het UST zelf. Echter, de kracht is veel lager en vereist op maat gemaakte wijzigingen in de USTs waardoor het zelfs duurder38. Effectieve externe koppeling van licht en UST moet gebeuren. Ten derde, de beschikbaarheid van een commerciële klinische VS imaging systeem voor PAI met toegang tot gegevens ruw kanaal en compatibele USTs voor data-acquisitie. Onlangs, dergelijke systemen beschikbaar zijn gekomen commercieel.
Andere kleine uitdagingen zijn het verhogen van de effectieve beeldvorming framesnelheid. Dit is momenteel beperkt door de polsslag van de herhaling van de laser. Meeste OPO lasers hebben een herhaling polsslag van maximaal 200 Hz. gepulseerde Diodelasers hebben een veel hogere hartslag voor herhaling van een paar kHz. Het gebruik van deze lasers zal helpen bij het verbeteren van de beeldvorming frame stem aanzienlijk34. De beschikbaarheid van zeer weinig FDA goedgekeurd contrastmiddelen (zoals MB) is ook een andere beperking voor klinische PAI. Een heleboel onderzoek wordt uitgevoerd in het vinden van en het testen van verschillende contrastmiddelen voor PAI. Andere kleine aspecten moeten ook tijdens het uitvoeren van draagbare PA imaging rekening worden gehouden. Als we zijn met behulp van een handheld sonde op het dier, zal er een fout als gevolg van de beweging van de handen tijdens het verwerken van de houder. Uiterste zorg moet worden genomen om te minimaliseren van deze fout. Ook, terwijl het tonen real-time naald bijhouden, positionering van de naald precies in het vliegtuig naar het midden van het UST is zeer cruciaal het maximale PA signaal te verkrijgen van de naald en het succesvol volgen. Door al deze uitdagingen overwinnen, PAI kan hierbij een levensvatbare klinische beeldvorming instrument voor grootschalige toepassingen (organellen van de cel aan organen) inclusief beeldvorming van bloedvaten, hersenen therapieën, tumoren, SLN, urineblaas en circulerende tumorcellen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen relevante financiële belangen in het manuscript en geen andere potentiële belangenconflicten openbaar te maken.
Acknowledgments
De auteurs wil erkennen de financiële steun van de onderzoeksbeurs van de Tier 1 gefinancierd door het ministerie van onderwijs in Singapore (RG48/16: M4011617) en fase 2 onderzoeksbeurs gefinancierd door het ministerie van onderwijs in Singapore (ARC2/15: M4020238). De auteurs wil erkennen van Dr. Rhonnie Oostenrijk Dienzo voor zijn hulp met dieren omgaan.
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).
