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Bioengineering

Mano clinico fotoacustico sistema di Imaging per Imaging animale piccolo Non-invasivo in tempo reale

doi: 10.3791/56649 Published: October 16, 2017

Summary

Una clinica fotoacustico palmare sistema di imaging sarà dimostrato per imaging animale piccolo non-invasivo in tempo reale.

Abstract

Traduzione di fotoacustico imaging in clinica è una sfida importante. Sistemi di imaging palmare fotoacustico clinica in tempo reale sono molto rari. Qui, segnaliamo un combinato fotoacustico e imaging sistema integrando una sonda ecografica con luce consegna per piccoli animali imaging clinico a ultrasuoni. Dimostriamo questa da risultati di imaging di linfonodo sentinella nei piccoli animali insieme con guida mininvasiva dell'ago in tempo reale. Una piattaforma di ecografia clinica con accesso ai dati grezzi canale consente l'integrazione di fotoacustico imaging che porta ad un palmare fotoacustico clinica in tempo reale sistema di imaging. Blu di metilene è stato utilizzato per l'imaging di linfonodo sentinella a 675 Nm. Inoltre, orientamento dell'ago con doppio ultrasuono modale e fotoacustico imaging è stata indicata utilizzando il sistema di imaging. Formazione immagine di profondità fino a 1,5 cm è stata dimostrata con un laser di 10 Hz a un fotoacustico imaging 5 fotogrammi al secondo.

Introduction

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Per la rilevazione e la stadiazione del tumore, sono disponibili diverse tecniche di imaging. Alcune delle modalità di imaging ampiamente usate sono la formazione immagine a risonanza magnetica (MRI), tomografia computerizzata a raggi x (CT), raggi x, ultrasuoni (US), tomografia a emissione di positroni (PET), fluorescenza imaging, ecc.1,2, 3 , 4. ma, alcune di tecniche di imaging esistenti non sono invasivi, hanno radiazioni nocive, o sono lenti, costosi, ingombranti o ostile ai pazienti. Così, c'è una costante necessità di sviluppare nuove tecniche di imaging veloce e conveniente per diagnostica e terapia5.

Fotoacustico imaging (PAI) è una tecnica di imaging emergente, che combina ricco contrasto ottico con ultrasuoni ad alta risoluzione a una più profonda formazione immagine profondità5,6,7,8, 9. A PAI, un impulso breve laser viene utilizzato per l'irradiazione del tessuto. La luce viene assorbita dal tessuto che conduce a un piccolo aumento di temperatura. A causa dell'espansione termoelastiche, onde di pressione (sotto forma di onde acustiche) vengono generate all'interno del tessuto. Le onde acustiche generate (noto anche come onde fotoacustico (PA)) vengono acquisite con un trasduttore di ultrasuoni a banda larga (UST) all'esterno del contorno di tessuto. Questi segnali acquisiti di PA possono essere utilizzati per ricostruire immagini di PA, rivelando le informazioni strutturali e funzionali all'interno del tessuto. PAI è una vasta gamma di applicazioni, tra cui: vaso sanguigno imaging, imaging di linfonodo sentinella, imaging sistema vascolare cerebrale, tumore imaging, imaging molecolare, ecc.10,11,12, 13,14,15 PAI ha numerose applicazioni per i suoi vantaggi, vale a dire: profondità di penetrazione più profonda, buona risoluzione spaziale e contrasto alto e morbido del tessuto. Il contrasto a PAI può essere endogeno da sangue, melanina, ecc. Quando il contrasto endogeno non è abbastanza forte, agenti di contrasto esogeni come coloranti organici, nanoparticelle, punti quantici, ecc.16,17,18,19, 20 , 21 può essere utilizzato per migliorare il contrasto.

Anche se PAI ha numerosi vantaggi rispetto a altre tecniche di imaging, traduzione clinica è ancora una sfida molto grande. Le principali limitazioni sono ingombranti i laser utilizzato, la maggior parte di UST utilizzato per l'acquisizione dati non sono compatibile con sistemi clinici di Stati Uniti e la mancata disponibilità di commercialmente disponibile cliniche sistemi di imaging a US che danno accesso al canale crudo dati. Solo recentemente, macchine US clinici commerciali con accesso ai dati grezzi sono diventati disponibili22. In questo lavoro, ci proponiamo di dimostrare la fattibilità di PAI con un set-up palmare utilizza una piattaforma clinica. Ci proponiamo di dimostrare questo mostrando imaging non-invasivo della sentinella linfonodi (sln) in un modello animale piccolo.

I tumori al seno invasivi sono una delle principali cause di morte per cancro tra le donne. Diagnosi e stadiazione del cancro al seno precoce è fondamentale per decidere le strategie di trattamento, che svolgono un ruolo importante nella prognosi del paziente. Per il seno cancro gestione temporanea biopsie di linfonodo sentinella (SLNB) sono di solito utilizzati23,24. SLN è il primario di linfonodo, dove la possibilità di trovare le cellule tumorali è il più alto dovuto la metastasi. SLNBs coinvolgere iniettando un colorante o un tracciante radioattivo, seguita da taglio aperto la zona con una piccola incisione e quindi individuando lo SLN visivamente in caso di coloranti o con l'aiuto di un contatore Geiger, in caso di un tracciante radioattivo. Dopo l'identificazione, SLN pochi vengono rimossi per gli studi istopatologici24,25. SLNB positivo indica che il tumore ha metastatizzato ai linfonodi vicini e forse ad altri organi. SLNB negativo indica che la probabilità della metastasi è trascurabile26. SLNB ha numerose complicazioni connesse con esso come intorpidimento del braccio, linfedema, ecc27 per eliminare le complicazioni SLNB associati, è necessaria una tecnica di imaging non invasivo.

Per la mappatura di SLN in piccoli animali e gli esseri umani, PA di imaging è stato esplorato estesamente con l'aiuto di contrasto diversi agenti15,28,29,30,31 , 32. Tuttavia, i sistemi utilizzati attualmente non possono essere utilizzati in uno scenario clinico, come sottolineato in precedenza. Un altro problema da affrontare è la procedura chirurgica coinvolti in SLNB28. Adattare le procedure minimamente invasive per la biopsia di aspirazione fine dell'ago (FNAB) era necessario per ridurre il tempo di recupero e gli effetti collaterali dei pazienti. In questo lavoro, è stato utilizzato un sistema di Stati Uniti clinico per formazione immagine unita di Stati Uniti e PA è stata usata. Per facilità d'uso nell'impostazione clinica, una misura palmare porta per fibra ottica alloggiamento e UST è stato progettato. Blu di metilene (MB) è stato utilizzato per l'identificazione e la mappatura sln. Inoltre, per eliminare le complicazioni connesse con la chirurgia SLNB, dell'ago in tempo reale non invasivo di monitoraggio è anche dimostrato.

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Protocol

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tutti gli esperimenti sugli animali sono stati eseguiti secondo le linee guida approvate dal Comitato istituzionale di cura degli animali e l'uso di Nanyang Technological University, Singapore (numero di protocollo animale ARF-SBS / NIE-A0263).

1. palmare in tempo reale clinica PA e noi Imaging System

  1. lo schema elettrico del palmare clinica PAI sistema 33 è mostrato in Figura 1a. Si compone di un laser ottico oscillatore parametrico (OPO) pompato da un laser di pompa di ND: YAG pulsato del nanosecondo raddoppiato frequenza, un fascio di fibre ottiche biforcato ( Figura 1b), un 3D su misura stampato palmare sonda portafiltro ( Figura 1 c) 33, sistema modale dual clinico di Stati Uniti e PA e una matrice lineare clinicamente compatibile UST (Vedi tabella materiali).
  2. Eseguire il software fornito dal produttore della clinica statunitense sistema facendo clic sull'icona per il software dal desktop.
  3. Da touch screen, selezionare il ' ricerca ' pulsante per azionare il sistema US in modalità ricerca. Clicca sul combinato in Stati Uniti e PA script dall'elenco degli script di imaging e fare clic sul pulsante di esecuzione per l'imaging in modalità combinata.
  4. Sincronizzare il sistema US clinico con il laser utilizzando il grilletto laser fuori o un fotodiodo.
    Nota: Collegare la sincronizzazione fissa fuori dal laser per la sincronizzazione di sistema US in. Assicurarsi di fornire positivo segnale di Transistor-transistor logic (TTL) come il segnale di sincronizzazione. Un segnale di fotodiodo è utilizzabile anche per scopo di sincronizzazione. La sincronizzazione di sistema US in è collegata al fotodiodo rilevatore utilizzando un modulo di polarizzazione del fotodiodo. Ogni volta che il laser è ON, il fotodiodo dà un segnale per attivare e sincronizzare sia il laser e il sistema degli Stati Uniti. Eseguire questo passaggio ogni volta.
  5. Per accendere il laser, passare dalla rete elettrica e ruotare la chiave verso sinistra sul controller laser. Avviare il laser dopo aver verificato la ripetizione tariffa è di 10 Hz (F10 verrà visualizzato sul display) e il ritardo di Q-switch è basso quanto 170 µs a garantire laser a bassa energia. Per impostare il ritardo, premete il tasto select finchè vedete il ritardo valore e aumentarlo a 170.
    Nota: Il laser dura circa 20 min a warm up
  6. Aprire l'interfaccia del software su un computer e in goto menu immettere la lunghezza d'onda come 675 nm e premere il ' inizio ' pulsante per impostare la lunghezza d'onda a 675 nm.
    Nota: Il laser può essere sintonizzato da 670 a 2.500 nm, tuttavia, è instabile a 670 nm.
  7. Premere il pulsante dell'otturatore e accendere il laser utilizzando l'opzione per allineare il fascio laser a fibra ingresso.
  8. Utilizzando una lente piano-convessa del diametro di 1 pollice (2,5 cm) di lunghezza focale 15mm, messa a fuoco il fascio laser per il fascio di fibre ottiche, tale che tutta la luce cade sul lato ingresso fibra.
    Nota: La fibra ottica ha 1.600 piccole fibre in bundle insieme. Si è biforcato in mezzo con due estremità di uscita rettangolare che hanno ogni 800 fibre ottiche. Le 800 fibre sono imballate in un'area di 0.1 x 4 cm, per abbinare le dimensioni dell'UST. Il diametro del nucleo di ogni fibra ottica è 185 µm, con un'apertura numerica di 0,22.
  9. Spegnere il laser dopo l'allineamento.
  10. Da the 4 titolari di sonda con diversi angoli di illuminazione (0°, 5°, 10° e 15°) scegliere il titolare sonda appropriata sulla base dell'applicazione (profondità di imaging, la dimensione dell'oggetto, la forma dell'oggetto e la posizione dell'oggetto).
    Nota: I titolari della sonda sono stati progettati e 3D stampato in laboratorio. Dispone di tre slot, due per le fibre ottiche biforcate e quello centrale per l'UST. La dimensione del titolare sonda era basata sulle dimensioni della fibra ottica e l'UST. Simulazioni Monte Carlo sono stati fatti per studiare l'illuminazione necessaria per imaging sln in maggiore profondità. SNR è stata superiore a bassa profondità per un'illuminazione di 15 ° 33.
  11. Fit biforcato a fibre ottiche nel supporto sonda 3D stampato ad un angolo di illuminazione a luce di 15 ˚.
  12. Inserire l'UST in centro nello slot del titolare.
    Nota: D Figura 1 Mostra la fotografia del titolare sonda con la fibra ottica e UST. Il linear array UST ha 128 elementi di matrice. La frequenza centrale di UST è 8,5 MHz e la larghezza di banda frazionario è 95%. La lunghezza di UST è 3,85 cm. Tuttavia, il sistema ha solo 64 acquisizione dati parallelo hardware e richiede che due impulsi per raccogliere dati da tutti i 128 elementi laser. Di conseguenza, la frequenza fotogrammi effettiva del sistema è la metà del tasso di ripetizione di impulso del laser, che è di 5 fotogrammi al secondo 34.
  13. Regolare la distanza tra l'UST e la fine della fibra a 1 cm allentando le viti sul lato e stringerlo dopo aver regolato la distanza esatta.
    Nota: I parametri sono ottimizzati per SLN imaging con simulazione ed esperimenti fantasma 33. L'UST può essere fissato con le due viti sul supporto della sonda. Questo dà la possibilità di variare la distanza tra la fibra ottica e l'UST.
  14. Accendere il laser e assicurarsi di ottenere un fascio laser rettangolare posto davanti all'UST.
  15. Interruttore spegne il laser. Aumentare l'energia del laser (aumentando il ritardo) al valore desiderato per lo scopo imaging.
    Nota: Consultare il manuale per il ritardo massimo che può essere impostato per il laser di YAG. Il valore di ritardo desiderato per questo sistema per imaging SLN era impostato su 210.

2. Caratterizzazione di risoluzione

  1. prendere la lastra di tessuto disponibile in commercio pollo e tagliarlo in una lastra di 2 6 x 6 cm. Utilizzando un coltello tagliatelo a fette spesse 0,5 cm.
  2. Inserire un oggetto punto, come un ago di 23 G di diametro 0,6 mm, sulla cima di petto di pollo tessuto.
  3. Accendere il laser.
    Attenzione: Indossare occhiali protettivi quando si lavora con il laser per il resto del protocollo. Un'eccezione è stata fatta durante il processo di allineamento, poiché l'energia del laser è stato debole.
  4. Immagini di prendere PA dell'ago a diverse profondità impilando più pollo seno fettine di tessuto di spessore 0,5 cm uno-fino a 3 cm. applica U.S. gel tra strati di tessuto di petto di pollo per migliorare noi accoppiamento.
  5. Salvare e memorizzare le immagini di fascio-formata come file. mat.
  6. Spegnere il laser.
  7. Elaborare i dati con il codice in-House usando immagine elaborazione software 17.
    Nota: Per determinare la risoluzione assiale e laterale, trovare la funzione di punto di diffusione dai segnali normalizzati PA lungo le rispettive direzioni e farli stare a una distribuzione gaussiana funzione 17. Ottenere la piena larghezza a metà altezza. Per ottenere la funzione di diffusione del punto, è necessario un punto di immagine. Tuttavia, c'è un altro modo di ottenere una funzione di diffusione del punto quando un punto obiettivo di imaging è difficile (come nel nostro caso, per un target molto piccolo punto il segnale è piuttosto piccolo e quindi usiamo un obiettivo leggermente più grande). Se la destinazione è grande, anziché direttamente sempre il punto diffusione funzione, si può ottenere una funzione di bordo diffuso. Quindi prendendo la derivata prima della funzione bordo diffuso, si può ottenere la funzione di diffusione del punto. Di conseguenza, non è assolutamente necessario utilizzare una punto di destinazione per calcolare la risoluzione 22.

3. Preparazione degli animali per l'Imaging di SLN

< classe p = "jove_contenda "> Nota: il sistema di imaging clinico palmare sopra descritto è stato dimostrato per l'imaging di piccoli animali SLN. Per gli esperimenti, sono stati acquistati a 8-week-old 6 ratti sani, femminile (NTac:Sprague Dawley, 220 ± 30 g). Ratti femminili vengono utilizzati perché l'insorgenza del cancro al seno in ratti maschii è meno frequente. Tuttavia, i ratti maschii possono essere utilizzati anche per gli studi. Inoltre, nella letteratura, ratti femminili sono utilizzati più ampiamente per l'imaging di SLN.

  1. Amputate rat
    1. prima di formazione immagine, anestetizzare il topo con la soluzione di anestesia, che contiene un cocktail di ketamina (100 mg/mL), xilazina (20 mg/mL) e soluzione fisiologica iniettabile in proporzione 2:1:1. Aggiungere 0,2 mL del cocktail per 100 g di peso dell'animale a una siringa sterile chirurgico 1 mL con ago (27G, pollice del ½).
    2. Collottola del collo del ratto a mano e disinfettare il quadrante inferiore destro dell'addome con un tampone imbevuto di alcool. Iniettare la soluzione di anestesia nel corpo degli animali.
    3. Garantire che l'animale è anestetizzato controllando per riflesso il pizzico di toe.
  2. SLN per imaging, rimuova i capelli dalla regione di interesse delicatamente con crema depilatoria commercialmente disponibili. Utilizzare come necessaria per coprire completamente l'area. Rimuovere la crema con un batuffolo di cotone bagnato dopo 3-5 min di applicazione. Per evitare gli occhi da siccità e danni accidentali laser, applicare unguento di lacrime artificiali.
  3. Posto blu underpad sul tavolo e posizionare l'animale lateralmente su di esso. Somministrare un anestetico per inalazione attraverso un cono di naso (0,75% di isoflurane con ossigeno (1,2 L/min)) per mantenere l'animale in anestesia durante gli esperimenti. L'ossimetro di impulso per la zampa posteriore del ratto per monitorare la frequenza cardiaca e la saturazione dell'ossigeno periferico durante gli esperimenti di clip.
    Nota: Assicurarsi che l'animale è caldo utilizzando un termoforo approvato per uso animale.

4. In Vivo SLN Imaging di ratti

  1. prima di formazione immagine, applicare 0,5-1 mL di gel di US sulla pelle con una siringa e diffonderla bene usando un applicatore. Mettete una fetta di tessuto di petto di pollo spesse 0,5 cm di dimensioni 6 x 6 cm sull'area di imaging e applicare ulteriori US gel sul tessuto pollo per migliorare l'accoppiamento.
    Nota: LNs si trovano sotto la pelle (entro 2-3 mm) in ratti. In esseri umani, LNs sono ad una profondità di 1 cm. quindi, tessuto di pollo è collocato nell'area della immagini del ratto per imitare il scenario di gestione immagini umano. In alternativa, tessuto che imita fantasmi può essere usato al posto del tessuto pollo.
  2. Interruttore sul laser. Posizionare il palmare portasonda in cima al tessuto di pollo e la scansione esso (spostare il titolare da destra a sinistra) nella modalità combinata di Stati Uniti e PA.
    Nota: L'area del fascio laser è di circa 3 cm 2 e fluenza è calcolato per essere circa 8 mJ/cm 2, che è inferiore al limite di sicurezza di American National Standards Institute (ANSI) (20 mJ/cm 2) 35 . La profondità di imaging è impostata a 2 cm nel sistema statunitense clinico. Occhiali di sicurezza devono essere indossati in ogni momento quando il laser è acceso.
  3. Impostare la profondità di imaging a 2 cm per l'imaging PA.
  4. Ottenere un'immagine di controllo della regione di interesse, sopra la gamba anteriore nella zona toracica, spostando la sonda palmare da un lato a altro prima dell'iniezione del mezzo di contrasto.
    Nota: Tutti i dati viene salvati in fascio-formato dati digitare per l'ulteriore elaborazione.
  5. Iniettare 0,2 mL del mezzo di contrasto, (cioè, MB (10 mg/mL)) nella zampa dell'animale e massaggiare bene per 2 min facilitare il movimento di agente di contrasto ai linfonodi attraverso i vasi linfatici.
  6. Sonda
  7. scansione dopo 5 min con il palmare lungo il tessuto di pollo per individuare lo SLN con l'aiuto del segnale PA.
    Nota: Tutti i frame vengono salvati nel tipo di fascio-formato dati.
  8. Fare clic sul ' freeze ' pulsante dai controlli il sistema degli Stati Uniti e fare clic sul ' esportare fotogrammi selezionati ' pulsante da monitor touch screen per esportare i dati registrati.
    Nota: I dati possono essere memorizzati in diversi formati cioè, fascio formata, scansione convertita, canale e I.Q.
  9. Aggiungere più 2 strati di fette di tessuto di pollo spessore 0,5 cm in cima all'animale uno e individuare lo SLN per dimostrare la fattibilità di profondità imaging fino a 1,5 cm.
  10. Dopo formazione immagine, rimuovere tutte le sezioni di tessuto di pollo
  11. Spegnere il laser.

5. Spettroscopia di SLN PA

  1. mettete una fetta di tessuto di petto di pollo spesse 0,5 cm su ratto.
  2. Impostare la lunghezza d'onda del laser come 670 nm utilizzando il software.
  3. Interruttore sul laser. Scansione con la sonda lungo il tessuto di petto di pollo sulla zona per individuare lo SLN con l'aiuto del segnale PA.
  4. Tenere la sonda stabile dopo aver individuato lo SLN.
  5. Il laser tuning software fornito, immettere la lunghezza d'onda di 800 nm nel software laser, impostare la velocità come 10 nm/s e scegliere il ' inizio ' pulsante.
    Nota: Questo può variare la lunghezza d'onda da 670 nm a 800 nm a una velocità di 10 nm/s. La gamma di lunghezza d'onda di variare dipende lo spettro di assorbimento del mezzo di contrasto utilizzato. MB ha un forte picco intorno 670 nm.
  6. Osservare il cambiamento nel segnale di PA con cambiamento di lunghezza d'onda.
  7. Spegnere il laser.
  8. Rimuovere la fetta di pollo tessuto.

6. In tempo reale dell'ago di rilevamento utilizzando PAI

  1. posto un 0,5 cm spessore petto di pollo fetta di tessuto sull'animale. Impostare la lunghezza d'onda a 675 nm.
  2. Interruttore sul laser. Muovere la sonda per individuare e identificare SLN sullo schermo con l'aiuto del segnale PA.
  3. Ago in tempo reale di monitoraggio
    1. iniettare un ago di 23 G, di dimensioni: 0,6 x 32 mm 2, parallela all'UST attraverso il tessuto di pollo nell'animale per raggiungere lo SLN, mentre guida in tempo reale sul monitor del sistema US clinico.
  4. Dopo gli esperimenti, spegnere il laser. Rimuovere il tessuto di pollo e pulsossimetro dall'animale e spostare l'animale al banco di lavoro. Pulire il gel per ultrasuoni sul ratto con salviette di cotone.
  5. Metti l'animale sul suo letto e monitorarlo finché non si riacquista coscienza.
  6. Tornare l'animale alla sua gabbia dopo che il suo comportamento è normale.

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Representative Results

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Figure 1
Figura 1: Descrizione del sistema. (a) rappresentazione schematica del sistema PAI con doppio sistema di US clinica modale. OPO - oscillatore parametrico ottico, di - fascio di fibre ottiche, FH - supporto di fibra, USM - clinica macchina degli Stati Uniti. Il titolare di fibra integra l'UST e due uscita fibra ottica bundle. La macchina di anestesia fornitura isoflurano e ossigeno viene utilizzata per mantenere l'animale in anestesia durante gli esperimenti. (b) fotografia di biforcato a fibre ottiche. Io / P indica la fine di ingresso della fibra e l'O/P indica le due estremità della fibra di output. (c) fotografia del titolare della fibra con tre slot, due per la fibra ottica e uno per l'UST. (d) fotografia di UST e le estremità di fissato nel supporto della fibra. (e) risoluzione assiale caratterizzata a diverse profondità calcolata da tutta la larghezza a metà altezza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Per caratterizzare la risoluzione assiale e laterale del sistema di imaging, è stato utilizzato un ago di diametro 0,6 mm. Il segnale di PA lungo la direzione assiale e laterale era tracciato e montato a una funzione di distribuzione gaussiana. La larghezza piena a metà altezza è stato calcolato a varie profondità di 1 cm, 1.5 cm, 2cm, 2,5 cm e 3 cm. La trama per risoluzione assiale è mostrata in Figura 1e. La risoluzione assiale è stata calcolata per essere 207 ± 45 µm. La risoluzione laterale è limitata dal passo elemento del UST. Teoricamente, la risoluzione laterale è 300 µm, che è la dimensione dell'elemento di UST. La risoluzione laterale calcolata dall'immagine acquisita PA dell'ago era 351 µm.

MB è un Food e Drug Administration (FDA) ha approvato tintura per l'imaging di SLN ed è ampiamente usato clinicamente per SLNB. Di conseguenza, è stato utilizzato MB per l'imaging non invasivo di SLN con PAI estesamente. Una lunghezza d'onda ottima di 675 nm è stato determinato sulla base delle spettro ottico e limitazioni del laser accordabilità36. La figura 2a Mostra la fotografia della regione rasata del ratto per l'imaging di SLN. La linea tratteggiata rossa mostra il piano di imaging approssimativo per combinato USA e PA di imaging. Tutte le immagini combinate PA e Stati Uniti indicate sono screenshot prelevati dal monitor di sistema US clinico. Figura 2b Mostra l'immagine combinata di Stati Uniti e PA prima dell'iniezione di MB. Si può notare che non ci è segnale di PA nell'immagine. Dagli Stati Uniti, immagini dei linfonodi possono essere identificati, ma solo da un occhio allenato come il contrasto è molto povero. Inoltre, con semplici immagini di Stati Uniti, lo SLN non può essere differenziato da altri linfonodi. Figura 2 c Mostra l'immagine combinata di Stati Uniti e PA dopo iniezione di MB. Da questa immagine, lo SLN può essere identificato molto facilmente a causa del forte segnale PA da MB allo SLN.

Figure 2
Figura 2: identificazione di SLN. (a) fotografia della regione imaging rasata di ratto per SLN di imaging, la linea rossa tratteggiata mostra l'aereo approssimativo di US B-scan, nonché PAI; (b) combinati Stati Uniti e PA immagine prima dell'iniezione di MB, (c) combinato USA e PA immagine dopo l'iniezione di MB. La barra della scala sull'asse X e Y rappresenta la stessa lunghezza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Spettroscopia di PA in tempo reale può essere fatto con il PA clinico sistema di imaging variando la lunghezza d'onda del laser durante la formazione immagine. MB ha un picco di assorbimento taglienti intorno 670 nm. Così, variando la lunghezza d'onda da 670 nm a 800 nm, il segnale di PA dallo SLN scomparirà lentamente. Figura 3a -c Mostra lo SLN a 670 nm, 700 nm e 800 nm, rispettivamente.

Figure 3
Figura 3: spettroscopia di Real-Time PA. (a) SLN a 670 nm, SLN (b) a 700 nm, SLN (c) a 800 nm. La barra della scala su X e asse Y rappresenta la stessa lunghezza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Sln si trovano di solito tra 1-2 cm di profondità dalla superficie della pelle negli esseri umani. Nei piccoli animali, SLN può essere trovato appena sotto la pelle. Pertanto, per simulare uno scenario di imaging SLN umano, tessuto del seno di pollo era posta sulla sommità di superficie della pelle del ratto. Inoltre, per dimostrare la profondità di imaging, lo spessore del tessuto del seno di pollo è aumentato a passi di 0,5 cm fino a 1,5 cm. Up a imaging profondo 1,5 cm è stato osservato con la configurazione attuale. La formazione immagine profondità potrebbe essere ulteriormente migliorata con più alta energia del laser.

Figure 4
Figura 4: orientamento dell'ago in tempo reale. (a) immagine di US risultati dell'ago guida contrassegnata dalla freccia gialla, (b) screen shot del combinato noi e PA immagine risultati dell'ago guida per lo SLN riempito con MB. La barra della scala su X e asse Y rappresenta la stessa lunghezza. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Identificazione non invasiva, insieme a FNAB di SLN, consentirà di ridurre le complicazioni connesse con la chirurgia SLNB. L'ecografia è la tecnica più comunemente usata per l'orientamento dell'ago fino a ora37. Ma, il contrasto degli Stati Uniti è molto povero di visualizzare la guida dell'ago nel tessuto. Non invasiva, Guida in tempo reale dell'ago per biopsia di SLN con PAI è mostrato qui. Figura 4a Mostra l'immagine di guida dell'ago da formazione immagine US solo nello SLN. È evidente che il contrasto fornito dagli Stati Uniti non è buono e ha bisogno di un occhio allenato per tenere traccia e guida correttamente l'ago. Figura 4b Mostra l'immagine combinata di Stati Uniti e PA dell'ago guida in vivo. Con PA di imaging, il contrasto ottenuto dall'ago è molto alto e può essere facilmente monitorato e registrato in vivo. Film S1 Mostra il video di PA di imaging per ago in vivo di rilevamento. Una volta che l'ago raggiunge lo SLN, una piccola porzione del tessuto SLN può essere stipulata per ulteriore esame istologico.

Film S1:Please clicca qui per scaricare questo file.

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Discussion

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Attualmente il costo di screening, diagnosi e trattamento del cancro è molto elevato. Ci sono diverse modalità che vengono utilizzate per lo screening del cancro e diagnosi di formazione immagine. Tuttavia, un sacco di queste tecniche di imaging hanno limitazioni tra cui dimensione macchina ingombrante, diagnosi invasiva, tornando a pazienti, troppo costoso, requisito di radiazione ionizzante, o uso di agenti di contrasto radioattivo. Di conseguenza, un imaging efficiente, conveniente e in tempo reale e sistema di guida è tanto necessario. Formazione immagine unita di Stati Uniti e PA è una tecnica che può essere utilizzata per lo screening non invasivo, efficace, la diagnosi e la stadiazione del tumore. PA clinico di imaging può essere fatta più fattibile con gli agenti di contrasto approvato dalla FDA come MB. Come PA imaging è una procedura non invasiva, Elimina le complicazioni legate alla chirurgia SLNB.

Ci sono alcune sfide che richiedono attenzione prima clinica PAI diventa successo. In primo luogo, la dimensione del laser utilizzato per PAI deve essere reso più compatto. Sono grandi, pesanti e spesso richiedono una tabella ottica per ospitarli. Sono anche sensibili a variazioni molto piccole allineamento, quindi non portatile per uso clinico. Laser a diodi piccolo rendimento energetico molto basso rispetto ai laser OPO ingombranti e spesso non sono regolabili. Recentemente, laser portatili OPO sono stati resi disponibili. Questo notevolmente può risolvere il problema della portabilità. In secondo luogo, l'integrazione della luce consegna con la sonda statunitense con luce ad alta efficienza di accoppiamento è un compito impegnativo. Piccoli diodi laser sono stati integrati all'interno di UST stesso. Tuttavia, il potere è molto più basso e richiede modifiche su misura in UST che lo rende anche più costoso38. Efficace accoppiamento esterno di luce e UST deve essere fatto. In terzo luogo, la disponibilità di un commerciale clinica US sistema di imaging per PAI con accesso ai dati grezzi canale e compatibili UST per acquisizione dati. Recentemente, tali sistemi sono diventato disponibili commercialmente.

Altre sfide minori sono per aumentare la frequenza di fotogrammi imaging efficace. Questo è attualmente limitato con il tasso di ripetizione di impulso del laser. La maggior parte OPO laser hanno un tasso di ripetizione di impulso di fino a 200 Hz. pulsata diodi laser hanno un più alto tasso di ripetizione di impulso di qualche kHz. L'uso di questi laser contribuirà a migliorare la cornice imaging tasso significativamente34. Inoltre, la disponibilità di agenti di contrasto molto pochi approvato dalla FDA (come MB) è un altro limite per clinica PAI. Un sacco di ricerca avviene nella ricerca e test di agenti di contrasto differenti per PAI. Altri aspetti minori anche bisogno di essere presi in considerazione durante l'esecuzione palmare PA di imaging. Come stiamo usando una sonda palmare sull'animale, ci sarà qualche errore dovuto a movimenti delle mani mentre si maneggia il titolare. Massima cura deve essere presa per ridurre al minimo questo errore. Inoltre, pur mostrando in tempo reale dell'ago di rilevamento, l'ago esattamente nel piano di posizionamento al centro della UST è molto cruciale per ottenere il massimo segnale di PA dall'ago e seguirlo con successo. Superando tutte queste sfide, PAI può essere uno strumento efficace di imaging clinico per applicazioni diffuse (organelli delle cellule agli organi) compresa formazione immagine dei vasi sanguigni, sistema vascolare del cervello, tumori, SLN, vescica urinaria e cellule tumorali circolanti.

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Disclosures

Gli autori hanno nessun interessi finanziari rilevanti nel manoscritto e nessun altri potenziali conflitti di interesse a divulgare.

Acknowledgments

Gli autori si desidera ringraziare il sostegno finanziario dal Tier 1 assegno di ricerca finanziato dal Ministero dell'istruzione in Singapore (RG48/16: M4011617) e Tier 2 assegno di ricerca finanziato dal Ministero della pubblica istruzione a Singapore (ARC2/15: M4020238). Gli autori desidera ringraziare il Dr. Paolo Austria Dienzo per il suo aiuto con animale movimentazione.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Q-switched Nd:YAG laser Continuum Surelite Pump laser
Optical parametric oscillator Continuum OPO laser
Clinical ultrasound imaging system Alpinion E-CUBE 12R Dual modal ultrasound and photoacoustic imaging system
Linear array ultrasound transducer Alpinion L3-12 128 element linear array transducer with centre frequency of 8.5 MHz, fractional bandwidth of 95%,
Bifurcated optical fiber CeramOptec Custom made To couple the light from the laser to the handheld fiber holder
Lens Thorlabs LB1869 Focus light from the laser to the optical fiber
Ultrasound gel Progress/parker acquasonic gel PA-GEL-CLEA-5000 Acoustic coupling
Image Processing software Mathworks Matlab Home made program using Matlab
Anesthetic Machine medical plus pte ltd Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator. Supplies oxygen and isoflurane to animal
Pulse Oxymeter portable Medtronic PM10N with veterinary sensor Monitors the pulse oxymetry of the animal
Animal distributor In Vivos Pte Ltd, Singapore Animal distributor that supplies small animals for research purpose.
Breathing mask Custom made Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal
chicken breast tissue Pasar Used to add depth to mimic human imaging scenario
23G needle BD Precisionglide 23G,1 and half inch Used for realtime needle guidance
Holder for the fiber optic cable Custom made To hold the input end of the bifurcated cable
Handheld probe Custom made 3D printed With two slots for the two output ends of the optical fiber and one slot for the ultrasound transducer
Methylene blue (10 mg/mL) Sterop Contrast agent for PA imaging
Laser tuning software Surelite OPO PLUS SLOPO Software to tune the wavelength of OPO laser
Photodiode Thorlabs SP05/M To detect the laser pulse to trigger the ultrasound system
Photodiode bias module Thorlabs PBM42 To amplify the photodiode signal to tigger ultrasound signal
Depilatory cream Reckitt Benckiser Veet Used to remove hair from the imaging area
Laser power meter Ophir Starlite, p/n: 7Z01565 Used to measure the laser power

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Mano clinico fotoacustico sistema di Imaging per Imaging animale piccolo Non-invasivo in tempo reale
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Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Pramanik, M. Hand-held Clinical Photoacoustic Imaging System for Real-time Non-invasive Small Animal Imaging. J. Vis. Exp. (128), e56649, doi:10.3791/56649 (2017).More

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

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