Håndholdt klinisk Photoacoustic tenkelig System for sanntid ikke-invasiv liten dyr Imaging
Summary
En klinisk håndholdte photoacoustic tenkelig system vil bli demonstrert for sanntid ikke-invasiv liten dyr bildebehandling.
Abstract
Oversettelsen av photoacoustic imaging i klinikken er en stor utfordring. Håndholdt sanntid klinisk photoacoustic imaging-systemer er svært sjeldne. Her rapporterer vi et kombinert photoacoustic og klinisk ultralyd imaging system ved å integrere en ultralyd sonde med lys levering for liten dyr bildebehandling. Dette viser vi av viser sentinel lymfeknute tenkelig i små dyr med minimal invasiv sanntid nål veiledning. En klinisk ultralyd plattform med tilgang til rå kanaldata gjør at integrering av photoacoustic imaging fører til en håndholdt sanntid klinisk photoacoustic tenkelig system. Methylene blåfarge ble brukt for sentinel lymfeknute bildebehandling på 675 nm bølgelengde. I tillegg ble nål veiledning med dobbelt sperrende ultralyd og photoacoustic imaging vist ved hjelp av tenkelig system. Dybde imaging opptil 1,5 cm ble demonstrert med en 10 Hz laser på en photoacoustic imaging bildefrekvens på 5 bilder per sekund.
Introduction
For å oppdage og iscenesettelse av kreft, ulike imaging teknikker er tilgjengelige. Noen av de brukte tenkelig modalitetene er magnetisk resonans imaging (MRI), røntgen tomografi (CT), røntgen, ultralyd (US), fantes et positron utslipp tomografi (PET), fluorescens imaging, etc.1,2, 3 , 4. men noen av de eksisterende Bildeteknikker er enten invasiv, har skadelige stråling eller er tregt, dyrt, klumpete eller uvennlig til pasienter. Dermed er det et konstant behov for å utvikle nye raske og kostnadseffektiv Bildeteknikker for diagnostikk og behandling5.
Photoacoustic imaging (PAI) er en ny bildeenhet teknikk, som kombinerer rik optisk kontrast med ultralyd høyoppløselig på dypere tenkelig dybde5,6,7,8, 9. I PAI brukes en kort laser puls for vev bestråling. Lyset blir absorbert av vev som fører til en liten temperaturøkning. På grunn av thermoelastic ekspansjon genereres trykkbølger (i form av akustiske bølger) i vevet. De genererte akustiske bølgene (også kjent som photoacoustic (PA) bølger) kjøpt med en bredbånds ultralyd svinger (UST) utenfor vev grensen. Disse ervervet PA signalene kan brukes til å rekonstruere PA bilder, avslørende strukturelle og funksjonelle informasjonen i vevet. PAI har en rekke programmer, inkludert: blod fartøy bildebehandling, sentinel lymfeknute bildebehandling, hjerne blodkar bildebehandling, svulst bildebehandling, molekylær bildebehandling, etc.10,11,12, 13,14,15 PAI har mange programmer på grunn av sine fordeler, nemlig: dypere gjennomtrenging dyp, god romlig oppløsning og høy bløtvev kontrast. Kontrasten i PAI kan endogene fra blod, melanin, etc. Når endogene kontrasten ikke er sterk nok, som eksogene kontrast agenter organisk fargestoffer, nanopartikler, kvante prikker, etc.16,17,18,19, 20 , 21 kan brukes for å forbedre kontrasten.
Selv om PAI har mange fordeler i forhold til andre Bildeteknikker, er klinisk oversettelse fortsatt en stor utfordring. Viktigste begrensningene store natur lasere brukes, de fleste av USTs brukes for datainnsamling er ikke kompatibel med klinisk amerikanske systemer og ikke-tilgjengeligheten av kommersielt tilgjengelig klinisk amerikanske imaging-systemer som gir tilgang til rå kanal data. Bare nylig kommersielle klinisk amerikanske maskiner med tilgang til rådata har blitt tilgjengelig22. I dette arbeidet, har vi som mål å demonstrere gjennomførbarheten av PAI med en håndholdt oppsett ved hjelp av en klinisk amerikanske plattform. Vi ønsker å demonstrere dette ved å vise ikke-invasiv avbilding av sentinel lymfeknuter (SLNs) i en liten dyr modell.
Invasiv bryst tumorer er en av de viktigste årsakene til kreftdødsfall blant kvinner. Diagnostisering og staging brystkreft tidlig er avgjørende for å avgjøre behandling strategier, som spiller en viktig rolle i prognosen for pasienten. For bryst brukt kreft oppsetning sentinel lymph node biopsies (SLNB) er vanligvis23,24. SLN er primære lymfeknute hvor å finne kreftceller er den høyeste på grunn av metastasering. SLNBs involverer injeksjonsbruk en farge eller et radioaktivt tracer, etterfulgt av kutte åpne området med et lite innsnitt, og deretter finne SLN visuelt ved fargestoffer eller ved hjelp av en Geiger-teller, i tilfelle en radioaktiv tracer. Etter identifikasjon fjernes noen SLN for histopathological studier24,25. Positiv SLNB indikerer at svulsten har metastasized til nærliggende lymfeknuter og kanskje til andre organer. Negative SLNB angir at sannsynligheten for metastasering er ubetydelig26. SLNB har mange komplikasjoner knyttet til den som arm nummenhet, lymphedema, etc.27 å eliminere SLNB forbindes komplikasjoner, en ikke-invasiv tenkelig teknikk er nødvendig.
For SLN kartlegging i små dyr og mennesker, har PA imaging blitt undersøkt grundig ved hjelp av ulike kontrast agenter15,28,29,30,31 , 32. imidlertid den som brukes for tiden kan ikke brukes i et klinisk scenario som påpekt tidligere. En annen bekymring tas er den kirurgiske prosedyren involvert i SLNB28. Tilpasse minimal invasiv prosedyrer for tynn nål aspirasjon biopsi var (FNAB) nødvendig å redusere gjenopprettingstiden og bivirkninger av pasientene. I dette arbeidet, en klinisk amerikanske systemet ble brukt for kombinert USA og PA imaging ble brukt. For brukervennlighet i klinisk oppsett, en skreddersydde håndholdte holderen for bolig optisk fiber og UST ble utformet. Methylene Blåfarge (MB) ble brukt for å identifisere og tilordne SLNs. i tillegg til å eliminere komplikasjoner knyttet SLNB kirurgi, ikke-invasiv sanntid nål sporing er også demonstrert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Foreløpig er kostnaden for screening, diagnose og behandling av kreft svært høy. Det er ulike imaging modaliteter som brukes for cancer screening og diagnose. Mange av disse Bildeteknikker har imidlertid begrensninger inkludert store maskin størrelse, invasiv diagnose, uvennlighet pasienter, for dyrt, kravet av ioniserende stråling, eller bruk av radioaktivt kontrast agenter. Derfor er en effektiv, bekostning effektiv, sanntid bildebehandling og guiding system mye nødvendig. Kombinert USA og PA imaging er en teknik…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å erkjenne økonomisk støtte fra Tier 1 forskningsstipend finansiert av utdanningsdepartementet i Singapore (RG48/16: M4011617) og Tier 2 forskningsstipend finansiert av utdanningsdepartementet i Singapore (ARC2/15: M4020238). Forfatterne ønsker å erkjenne Dr. Rhonnie Østerrike Dienzo for hans hjelp med dyr håndtering.
Materials
| 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. , (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. , (2007).
- 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).
