Summary
Une clinique photoacoustique poche système d’imagerie se traduira pour l’imagerie animale petit non invasif en temps réel.
Abstract
Traduction de l’imagerie photoacoustique dans la clinique est un défi majeur. Ordinateur de poche photoacoustique clinique en temps réel des systèmes d’imagerie sont très rares. Nous rapportons ici un combiné photoacoustique et l’échographie clinique système d’imagerie en intégrant une sonde à ultrasons avec livraison légère pour l’imagerie petit animal. Nous démontrons cela en montrant l’imagerie ganglion sentinelle chez de petits animaux ainsi que de guider les aiguilles en temps réel peu invasive. Une plateforme clinique échographie avec accès aux données brutes canal permet l’intégration de photoacoustique imagerie conduisant à un ordinateur de poche photoacoustique clinique en temps réel système d’imagerie. Bleu de méthylène a été utilisé pour l’imagerie de ganglion lymphatique sentinelle à longueur d’onde de 675 nm. En outre, guider les aiguilles avec double échographie modale et l’imagerie photoacoustique a été montré à l’aide du système d’imagerie. L’imagerie jusqu'à 1,5 cm de profondeur a été démontrée avec un laser de 10 Hz à un photoacoustique imagerie cadence de 5 images par seconde.
Introduction
Pour la détection et la stadification du cancer, différente techniques d’imagerie sont disponibles. Quelques-unes des modalités d’imagerie utilisées sont l’imagerie par résonance magnétique (IRM), des rayons x de tomodensitométrie (CT), radiographie, échographie (US), tomographie par émission de positrons (PET), fluorescence imaging, etc.1,2, 3 , 4. mais, certaines des techniques d’imagerie existantes sont soit invasive, rayonnements nocifs, ou lent, coûteux, encombrant ou hostile aux patients. Ainsi, il y a un besoin constant de développer de nouvelles techniques d’imagerie rapides et rentables pour le diagnostic et la thérapie5.
Photoacoustique imaging (PAI) est une technique d’imagerie émergente, qui allie riche contraste optique à haute résolution ultrasonore à une plus profonde d’imagerie profondeur5,6,7,8, 9. Dans le PAI, une impulsion laser court est utilisée pour l’irradiation des tissus. La lumière est absorbée par le tissu qui conduit à une élévation de température. En raison de l’expansion thermoélastique, des ondes de pression (sous la forme d’ondes acoustiques) sont générés dans les tissus. Les ondes acoustiques générées (également connu sous le nom de photoacoustique (PA) vagues) sont acquises avec un transducteur à ultrasons wideband (UST) à l’extérieur de la limite du tissu. Ces signaux PA acquis peut être utilisé pour reconstruire des images de PA, révélant les informations structurales et fonctionnelles à l’intérieur du tissu. PAI a un large éventail d’applications, notamment : l’imagerie des vaisseaux sanguins, imagerie du ganglion lymphatique sentinelle, imagerie vasculaire cérébrale, l’imagerie tumorale, imagerie moléculaire, etc.10,11,12, 13,14,15 PAI a de nombreuses applications en raison de ses avantages, à savoir : profondeur de pénétration plus profonde, bonne résolution spatiale et contraste élevé de tissus mous. Le contraste de PAI peut être endogène de sang, mélanine, etc.. Quand le contraste endogène n’est pas assez fort, les agents de contraste exogène comme colorants organiques, des nanoparticules, des points quantiques, etc.16,17,18,19, 20 , 21 peut être utilisé pour améliorer le contraste.
Bien que le PAI a de nombreux avantages par rapport aux autres techniques d’imagerie, traduction clinique est toujours un très grand défi. Les limitations principales sont la nature encombrante des lasers utilisés, la plupart des réservoirs de stockage souterrains utilisés pour l’acquisition de données n’est pas compatible avec les systèmes cliniques d’US et la non disponibilité disponible dans le commerce clinique américaines systèmes d’imagerie qui donnent accès au canal brut données. Que récemment, les machines US cliniques commerciales ayant accès aux données brutes sont devenues disponible22. Dans ce travail, notre objectif est de démontrer la faisabilité de PAI avec un ordinateur de poche Set-up à l’aide d’une plateforme US clinique. Notre objectif est de démontrer ceci en montrant l’imagerie non invasive des sentinelles des ganglions (GS) dans un modèle animal petit.
Les tumeurs du sein sont une des principales causes de décès par cancer chez les femmes. Diagnostic et la stadification du cancer du sein au début sont indispensable pour décider des stratégies de traitement, qui jouent un rôle important dans le pronostic du patient. Du cancer du sein cancer biopsies de ganglion lymphatique sentinelle intermédiaire (technique du GS) sont habituellement utilisé23,24. SLN est le premier ganglion lymphatique où la possibilité de trouver des cellules cancéreuses est le plus élevé en raison de métastases. SLNBs implique l’injection d’un colorant ou un traceur radioactif, suivie de la coupe ouverte la zone avec une petite incision et ensuite localiser la SLN visuellement en cas de colorants ou avec l’aide d’un compteur Geiger, dans le cas d’un traceur radioactif. Après identification, quelques SLN sont supprimées pour les études histopathologiques24,25. Technique du GS positif indique que la tumeur a produit des métastases aux ganglions lymphatiques voisins et peut-être à d’autres organes. Technique du GS négatif indique que la probabilité de métastase est négligeable26. Technique du GS a de nombreuses complications qui lui sont associées comme engourdissement des bras, lymphoedème, etc.27 afin d’éliminer les complications de la technique du GS associé, une technique d’imagerie non invasive est nécessaire.
Pour le mappage de la SLN en petits animaux et les humains, PA d’imagerie a été exploré intensivement avec l’aide de contraste différents agents15,28,29,30,31 , 32. Toutefois, les systèmes utilisés actuellement ne peut pas être utilisées dans un scénario clinique comme indiqué plus haut. Une autre préoccupation à traiter est impliqué dans la technique du GS28l’intervention chirurgicale. Adaptation des procédures minimalement invasives pour biopsie aspiration aiguille fine (FNAB) était nécessaire pour réduire le temps de récupération et les effets secondaires des patients. Dans ce travail, un système américain de clinique a été utilisé pour combiné imagerie USA et PA a été utilisé. Pour une utilisation dans des paramètres cliniques, un sur-mesure poche porte pour fibre optique logement et UST a été conçu. Bleu de méthylène (MB) a été utilisé pour l’identification et la cartographie GS. en outre, afin d’éliminer les complications associées à la chirurgie de la technique du GS, non-invasif aiguille en temps réel suivi est également démontrée.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
toutes les expérimentations animales ont été effectuées conformément aux lignes directrices approuvées réglementations par le Comité de protection des animaux et l’utilisation institutionnels de l’Université technologique de Nanyang, Singapour (numéro de protocole Animal ARF-SBS / NIE-A0263).
1. poche en temps réel clinique PA et nous Imaging System
- le schéma de l’ordinateur de poche cliniques PAI système 33 est illustré dans la Figure 1 a. Il se compose d’un oscillateur paramétrique optique (OPO) laser pompé par un laser fréquence doublée nanoseconde ND : YAG pulsé pompe, un bundle bifurquée fibre optique ( Figure 1 b), un sur mesure 3D imprimée (titulaire) sonde poche figure 1c) 33, clinique double système modal USA et PA et une rangée linéaire cliniquement compatible UST (voir Table des matières).
- Exécuter le logiciel fourni par le fabricant dans le système américain clinique en cliquant sur l’icône pour le logiciel à partir du bureau.
- De l’écran tactile, sélectionnez le ' recherche ' le bouton pour faire fonctionner le système américain dans le mode de recherche. Cliquez sur le combiné USA et PA d’imagerie de script à partir de la liste des scripts et cliquez sur le bouton Exécuter pour l’imagerie en mode combiné.
- Synchroniser le système américain de clinique avec le laser à l’aide de la sortie de déclenchement laser ou une photodiode.
Remarque : Connectez la synchronisation fixe hors du laser à la synchronisation du système US dans. Assurez-vous de fournir positive Transistor-transistor logic (TTL) signal comme le signal de synchronisation. Un signal de la photodiode permet également pour but de sync. La synchronisation du système US dans est connectée au détecteur photodiode à l’aide d’un module de biais de photodiode. Chaque fois que le laser est activé, la photodiode donne un signal pour déclencher et synchroniser des fois le laser et le système américain. Effectuez cette étape chaque fois. - Pour allumer le laser, basculez sur le courant et tournez la clé vers la gauche sur le contrôleur de laser. Commencer le laser après s’être assuré la répétition taux est de 10 Hz (F10 s’affichera à l’écran) et le retard de Q-switch est aussi bas que 170 µs pour laser de basse énergie. Pour définir le délai, appuyez sur la touche select jusqu'à ce que vous voyez le retard de valeur et de la porter à 170.
Remarque : Le laser prend environ 20 min à chaud vers le haut - Ouvrez l’interface du logiciel sur un ordinateur et dans le goto menu entrez la longueur d’onde comme 675 nm et appuyez sur la ' start ' bouton pour régler la longueur d’onde à 675 nm.
Remarque : Le laser peut être ajustée de 670 à 2 500 nm, cependant, il est instable à 670 nm. - Appuyez sur le bouton de l’obturateur et allumer le laser en utilisant le commutateur pour aligner le faisceau laser à la fibre entrée.
- En utilisant une lentille plano-convexe de diamètre de 1 pouce (2,5 cm) de longueur focale 15 mm, mise au point du laser pour le faisceau de fibres tels que toute la lumière tombe sur l’extrémité d’entrée de la fibre.
Remarque : La fibre optique a 1 600 fibres petits regroupés. Il est scindé au milieu avec deux bouts de sortie rectangulaire qui ont chacun 800 fibres optiques. Les 800 fibres sont emballés dans une surface de 0,1 x 4 cm, pour correspondre avec les dimensions de l’UST. Le diamètre du noyau de chaque fibre optique est 185 µm, avec une ouverture numérique de 0,22. - Éteindre le laser après alignement.
- De the 4 titulaires de sonde avec différents angles d’éclairage (0°, 5°, 10° et 15°) choisissez le support de sonde appropriée basé sur l’application (profondeur de l’image, la taille de l’objet, la forme de l’objet et l’emplacement de l’objet).
Remarque : Les détenteurs de la sonde ont été conçus et 3D imprimés dans le laboratoire. Il dispose de trois emplacements, deux pour les fibres optiques bifurquées et celui du Centre pour l’UST. La dimension de la coupelle de la sonde était basée sur les dimensions de la fibre optique et l’UST. Simulations de Monte Carlo ont été effectuées afin d’étudier l’illumination lumineuse requise pour imagerie GS des profondeurs supérieures. SNR était plus élevé à des profondeurs inférieures pour un éclairage de 15 ° 33. - Fit la fibre optique bifurquée dans le porte-sonde imprimés 3D à un angle d’éclairement lumineux de 15˚.
- Insérer l’UST dans la fente centrale du porte-.
Remarque : D de la Figure 1 montre la photographie du titulaire de la sonde avec la fibre optique et l’UST. Le linear array UST a 128 éléments du tableau. La fréquence centrale de l’UST est 8,5 MHz et la bande passante fractionnelle est de 95 %. La longueur de l’UST est 3,85 cm. Toutefois, le système a matériel d’acquisition de données parallèle seulement 64 et nécessite que deux pulsations pour collecter les données de tous les 128 éléments laser. Par conséquent, la fréquence d’images réelle du système est la moitié du taux de répétition de l’impulsion du laser, ce qui est de 5 images par seconde 34. - Régler la distance entre l’UST et l’extrémité de fibre à 1 cm en desserrant les vis sur le côté et le serrer après réglage de la distance exacte.
Remarque : Les paramètres sont optimisés pour la SLN d’imagerie avec simulation et expériences fantômes 33. L’UST peut être sécurisée avec les deux vis sur le support de sonde. Cela donne la possibilité de varier la distance entre la fibre optique et l’UST. - Allumer le laser et assurez-vous d’obtenir un faisceau laser rectangulaire spot en face de l’UST.
- Interrupteur OFF le laser. Augmenter l’énergie du laser (en augmentant le délai) à la valeur souhaitée dans le but d’imagerie.
Remarque : Reportez-vous au manuel pour le délai maximal qui peut être défini pour le laser Nd : YAG. La valeur de délai souhaité pour ce système d’imagerie de la SLN a été fixée à 210.
2. Caractérisation de la résolution
- prendre la dalle de tissu disponible dans le commerce de poulet et coupez-la en une dalle de 2 6 x 6 cm. À l’aide d’un couteau coupe en tranches de 0,5 cm d’épaisseur.
- Placer un objet point, comme une aiguille 23 G de diamètre 0,6 mm, sur le dessus de poitrine de poulet tissu.
- Allumer le laser.
ATTENTION : Des lunettes de sécurité doivent être portés lorsque vous travaillez avec le laser pour le reste du protocole. Une exception a été faite au cours du processus d’alignement, étant donné que l’énergie du laser a été faible. - Images PA prendre de l’aiguille à différentes profondeurs par empilage de plusieurs poulet poitrine tranches d’épaisseur 0,5 cm par un haut à 3 cm. appliquer U.S. gel entre les couches de tissu de poitrine de poulet pour améliorer nous accouplement.
- Enregistrer et de stocker les images de faisceau formé en tant que fichier .mat.
- Éteindre le laser.
- Traiter les données avec le code interne à l’aide de logiciels 17 de traitement d’image.
Remarque : Pour déterminer la résolution axiale et latérale, trouver la fonction de point-propagation des signaux PA normalisées dans les directions respectives et fixez-les sur une fonction de distribution gaussienne 17. Obtenir la largeur à mi-hauteur. Pour obtenir la fonction de point de se propager, il faut un point de l’image. Cependant, il y a une autre façon d’obtenir une fonction de point se propager lorsqu’une cible de point d’imagerie est difficile (comme dans notre cas, pour une cible très petit point, le signal est assez petit et c’est pourquoi nous utilisons une cible un peu plus grande). Si la cible est grande, plutôt que directement obtenir le point spread function, on peut obtenir une fonction de bord se propager. Puis en prenant la dérivée première de la fonction edge répartis, on peut obtenir la fonction de point propagation. Par conséquent, il n’est pas absolument nécessaire d’utiliser une point cible pour calculer la résolution 22.
3. La préparation animaux d’imagerie de la SLN
< classe p = jove_con «tente "> Remarque : l’ordinateur de poche système d’imagerie clinique décrit ci-dessus a été démontré pour l’imagerie petit animal SLN. Pour des expériences, des rats en bonne santé, les femmes âgés de 6 à 8 semaines (NTac:Sprague Dawley, 220 ± 30 g) ont été achetés. Les rats femelles sont utilisés parce que l’apparition du cancer du sein chez les rats mâles est moins fréquente. Cependant, des rats mâles peuvent également servir pour les études. En outre, dans la littérature, les rats femelles sont utilisées plus largement pour l’imagerie de la SLN.- Anesthetization rat
- avant l’imagerie, anesthésier le rat avec la solution d’anesthésie, qui contient un cocktail de xylazine (20 mg/mL), la kétamine (100 mg/mL) et injectable solution saline à une proportion de 2:1:1. Ajouter 0,2 mL de cocktail pour 100 g de poids de l’animal à une seringue stérile chirurgicale de 1 mL avec aiguille (27G, ½ pouce).
- Scruff du cou du rat à la main et désinfecter le quadrant droit-bas de l’abdomen avec un tampon imbibé d’alcool. Injecter la solution d’anesthésie dans le corps animal.
- Veiller à ce que l’animal est anesthésié par vérification de la tendance au pincement de l’orteil.
- Pour SLN, imagerie, cheveux de supprimer de la région d’intérêt délicatement avec la crème dépilatoire disponible dans le commerce. Utiliser autant que nécessaire pour couvrir la zone complètement. Retirez la crème avec un coton-tige humide après 3 à 5 min de la demande. Pour éviter les yeux de la sécheresse et les dégâts accidentels laser, pommade larme artificielle.
- Place bleu underpad sur la table et placez l’animal sur le côté à ce sujet. Administrer l’anesthésie par inhalation dans un cône de nez (0,75 % du isoflurane ainsi que de l’oxygène (1,2 L/min)) afin de maintenir l’animal sous anesthésie au cours d’expériences. Clip de l’oxymètre de pouls à la patte arrière du rat pour surveiller le rythme cardiaque et la saturation en oxygène périphérique tout au long des expériences de.
Remarque : Assurez-vous que l’animal est chaude à l’aide d’un coussin chauffant approuvé pour l’utilisation des animaux.
4. In Vivo SLN Imaging of Rats
- avant l’imagerie, appliquer 0,5 à 1 mL de gel US sur la peau à l’aide d’une seringue et étalez-la bien à l’aide d’un applicateur. Déposer une tranche de tissu de poitrine de poulet épais de 0,5 cm de dimensions 6 cm x 6 cm sur la zone d’imagerie et d’appliquer plus US gel sur le tissu de poulet afin d’améliorer le couplage.
Remarque : LNs sont situés sous la peau (à moins de 2-3 mm) chez les rats. Chez l’homme, LNs sont à une profondeur de 1 cm. par conséquent, des tissus de poulet sont placé dans la zone d’imagerie du rat pour imiter le scénario d’imagerie humain. Alternativement, tissus imitant les fantômes peuvent être utilisés à la place de tissus poulet. - Interrupteur sur le laser. Placez le support de sonde poche sur le dessus des tissus de poulet et de scan it (déplacer le support de droite à gauche) dans le mode combiné des États-Unis et PA.
Remarque : La zone du faisceau laser est environ 3 cm 2 et fluence est évaluée à environ 8 mJ/cm 2, qui est inférieure à la limite de sécurité de l’American National Standards Institute (ANSI) (20 mJ/cm 2) 35 . La profondeur d’imagerie est située à 2 cm dans le système américain de clinique. Lunettes de protection devraient être portés à tout moment lorsque le laser est allumé. - Régler la profondeur d’imagerie à 2 cm pour PA imaging.
- Obtenir une image de contrôle de la région d’intérêt, au-dessus de la jambe avant dans la région thoracique, en déplaçant la sonde de la poche d’un côté à l’autre avant l’injection de l’agent de contraste.
NOTE : Toutes les données sont enregistrées dans les données de faisceau formé type pour un traitement ultérieur. - Injecter 0,2 mL de l’agent de contraste, (c.-à-d., MB (10 mg/mL)) dans la patte de l’animal et masser bien pendant 2 min faciliter le mouvement d’agent de contraste dans les ganglions lymphatiques par les vaisseaux lymphatiques. Sonde
- scan après 5 min avec l’ordinateur de poche le long du tissu de poulet pour localiser la SLN avec l’aide du signal PA.
Remarque : Toutes les images sont enregistrées dans le type de données faisceau formé. - Cliquez sur le ' gel ' des contrôles sur le système américain et cliquez sur le bouton du ' exporter les images sélectionnées ' bouton de l’écran tactile pour exporter les données enregistrées.
NOTE : Les données peuvent être stockées dans des formats différents à savoir faisceau formé, scan converti, canal et Qi - Ajouter plus de 2 couches de tranches de tissu de poulet épais de 0,5 cm sur le dessus de l’animal un et localisez la SLN pour démontrer la faisabilité d’imagerie jusqu'à 1,5 cm de profondeur.
- Après l’imagerie, supprimer toutes les sections de tissu de poulet
- Éteindre le laser.
5. Spectroscopie de SLN de PA
- déposer une tranche de tissu de poitrine de poulet épais de 0,5 cm sur le rat.
- Définir la longueur d’onde du laser comme 670 nm en utilisant le logiciel.
- Interrupteur sur le laser. Scan avec la sonde sur le tissu de poitrine de poulet sur la zone pour localiser la SLN avec l’aide du signal PA.
- Tenir la sonde stable après avoir identifié la SLN.
- Sur le laser de réglage logiciel fourni, entrez la longueur d’onde 800 nm dans le logiciel laser, réglez la vitesse comme 10 nm/s et cliquez sur le ' début ' bouton.
NOTE : Ceci peut varier la longueur d’onde de 670 nm à 800 nm à une vitesse de 10 nm/s. La gamme de longueur d’onde de faire varier dépend le spectre d’absorption de l’agent de contraste utilisé. Mo a une forte crête environ 670 nm. - Observer le changement de signal PA avec changement de longueur d’onde.
- Éteindre le laser.
- Supprimer la tranche de tissu poulet.
6. En temps réel l’aiguille de suivi à l’aide de PAI
- Place un 0,5 cm poitrine de poulet épais tissu tranche sur l’animal. Sélectionner la longueur d’onde 675 nm.
- Interrupteur sur le laser. Déplacer la sonde pour localiser et identifier la SLN sur écran à l’aide du signal PA.
- Aiguille en temps réel suivi
- injecter une aiguille 23 G, dimensions 0,6 x 32 mm 2, parallèle à l’UST au travers du tissu de poulet dans l’animal pour atteindre le SLN, tout en guidant en temps réel sur le moniteur clinique du système US.
- Après les expériences, éteindre le laser. Enlever le tissu de poulet et pulse oxymètre de l’animal et déplacer l’animal vers le banc de travail. Nettoyer le gel d’échographie sur le rat avec lingettes coton.
- Placer l’animal sur sa litière et surveiller jusqu'à ce qu’il reprend conscience.
- Regagner sa cage de l’animal après que son comportement est normal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figure 1 : description du système. (a) représentation schématique du système PAI avec double système modal des États-Unis clinique. OPO - oscillateur paramétrique optique, de - faisceau de fibres optiques, FH - porte-fibre, USM - clinique machine américaine. Le titulaire de la fibre intègre l’UST et deux faisceau de fibre optique de sortie. La machine d’anesthésie fournissant l’isoflurane et l’oxygène est utilisée pour maintenir l’animal sous anesthésie pendant les expériences. Photographie (b) de la fibre optique bifurquée. J’ai / P indique la fin d’entrée de la fibre et l’O/P indique que les deux extrémités de la fibre de sortie. (c) photo du titulaire fibre avec trois créneaux, deux pour la fibre optique et l’autre pour l’UST. (d) photographie de l’UST et les extrémités de fixé dans le support de la fibre. (e) résolution axiale caractérisée à différentes profondeurs calculées à partir de la largeur à mi-hauteur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Afin de caractériser la résolution axiale et latérale du système d’imagerie, une aiguille de 0,6 mm de diamètre a été utilisée. Le signal de PA dans la direction axiale et latérale a été tracé et équipé d’une fonction gaussienne. La largeur à mi-hauteur a été calculée à différentes profondeurs de 1 cm, 1.5 cm, 2 cm, 2,5 cm et 3 cm. L’intrigue de résolution axiale est illustrée à la Figure 1e. La résolution axiale a été évaluée à 207 ± 45 µm. La résolution latérale est limitée par la hauteur de l’élément de l’UST. Théoriquement, la résolution latérale est 300 µm, ce qui est de la taille de l’élément de l’UST. La résolution latérale calculée à partir de l’image acquise de PA de l’aiguille est de 351 µm.
Mo est un aliment et Drug Administration (FDA) a approuvé de colorant pour l’imagerie de la SLN et est largement utilisé en clinique pour la technique du GS. Par conséquent, MB a été utilisée pour l’imagerie non invasive des SLN avec PAI abondamment. Une longueur d’onde optimale de 675 nm a été établie en fonction du spectre optique et les limitations du laser accordabilité36. Figure 2 a montre la photographie de la région rasée du rat pour l’imagerie de la SLN. La ligne pointillée rouge montre l’avion d’imagerie approximative pour combiné USA et PA d’imagerie. Tous les combinés PA et États-Unis images montrées sont captures d’écran prises du moniteur système clinique aux États-Unis. Figure 2 b montre l’image combinée d’États-Unis et PA avant l’injection de Mo. On peut noter qu’il n’y a aucun signal PA dans l’image. Des États-Unis, images des ganglions lymphatiques sont reconnaissables, mais seulement par un œil exercé comme le contraste est très pauvre. En outre, avec la plaines images US, la SLN ne peut être distingué des autres ganglions lymphatiques. Figure 2c montre l’image combinée d’États-Unis et PA après injection de MB. Partir de cette image, la SLN sont très facilement reconnaissables en raison de la fort signal PA de Mo dans la SLN.
Figure 2 : identification de la SLN. (a) photographie de la région d’imagerie rasée du rat pour SLN d’imagerie, la ligne pointillée rouge montre le plan approximatif du B-scan US ainsi que PAI ; (b) combiné image USA et PA avant l’injection de MB, (c) combiné image USA et PA après injection de MB. La barre d’échelle sur l’axe X et Y représente la même longueur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Spectroscopie de PA en temps réel peut être faite avec l’autorité palestinienne clinique système d’imagerie en faisant varier la longueur d’onde du laser en imagerie. MB a un pic d’absorption forte environ 670 nm. Oui, en faisant varier la longueur d’onde de 670 nm à 800 nm, le signal de PA de la SLN disparaîtra lentement. Figure 3 a -c montre la SLN à 670 nm, 700 nm et 800 nm, respectivement.
Figure 3 : spectroscopie de Real-Time PA. (a) SLN à 670 nm, SLN (b) à 700 nm, SLN (c) à 800 nm. La barre d’échelle sur X et l’axe Y représente la même longueur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
GS sont généralement situés entre 1 à 2 cm de profondeur de la surface de la peau chez l’homme. Chez de petits animaux, SLN se trouvent juste sous la peau. Par conséquent, pour simuler un scénario d’imagerie humain de SLN, tissu de poitrine de poulet a été placé sur le dessus de la surface de la peau du rat. En outre, afin de démontrer la profondeur d’imagerie, l’épaisseur des tissus de la poitrine de poulet est augmentée par paliers de 0,5 cm à 1,5 cm. jusqu'à l’imagerie profonde de 1,5 cm a été observée avec la configuration actuelle. La profondeur d’imagerie pourrait être encore améliorée avec plus d’énergie laser.
Figure 4 : guider les aiguilles en temps réel. (a) aux États-Unis, l’image aiguille orientation marquée par la flèche jaune, (b) capture d’écran du combiné nous et guider les aiguilles de la SLN, l’image PA rempli de MB. La barre d’échelle sur X et l’axe Y représente la même longueur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Identification non invasifs, ainsi que de la FNAB de SLN, permettra de réduire les complications associées à la chirurgie de la technique du GS. L’échographie est la technique la plus couramment utilisée pour guider les aiguilles jusqu'à maintenant37. Mais, le contraste des États-Unis est très pauvre de visualiser l’orientation de l’aiguille dans le tissu. Non invasifs, guider les aiguilles en temps réel pour la biopsie de SLN avec PAI est montré ici. Figure 4 a montre l’image de l’orientation de l’aiguille par imagerie US uniquement dans la SLN. Il est évident que le contraste fourni par U.S. n’est pas bon et qu’il a besoin d’un œil exercé pour suivre et guider l’aiguille correctement. Figure 4 b montre l’image combinée d’États-Unis et PA de l’aiguille guidance in vivo. Avec PA d’imagerie, le contraste obtenus de l’aiguille est très élevé et peut être facilement contrôlé et suivie en vivo. S1 du film montre la vidéo de PA d’imagerie in vivo aiguille suivi. Une fois que l’aiguille atteigne la SLN, une petite partie du tissu SLN peut être souscrite pour plus loin l’examen histologique.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Actuellement, le coût du dépistage, de diagnostic et traitement du cancer est très élevé. Il existe différentes modalités qui sont utilisées pour le dépistage du cancer et le diagnostic d’imagerie. Cependant, beaucoup de ces techniques d’imagerie ont des limites y compris taille encombrante machine, diagnostic invasif, affirmait-il à exigence trop cher, les patients, des rayonnements ionisants, ou l’utilisation d’agents de contraste radioactif. Par conséquent, une imagerie efficace, rentable et en temps réel et système de guidage est nécessaire. L’imagerie USA et PA combiné est une technique qui peut être utilisée pour un dépistage efficace et non invasif, le diagnostic et la stadification du cancer. PA de clinique d’imagerie peut faire plus faisable avec les agents de contraste approuvés par la FDA comme MB. Comme PA imaging est une procédure non invasive, elle élimine les complications liées à la chirurgie de la technique du GS.
Il y a des défis qui requièrent une attention avant PAI clinique soit réussie. Tout d’abord, la taille du laser utilisé pour le PAI doit faire plus compact. Elles sont grandes, lourdes et nécessitent souvent une table optique pour les abriter. Ils sont également sensibles aux très petits changements dans l’alignement, donc pas portable pour une utilisation clinique. Les lasers à diode petit rendement très faible puissance par rapport aux lasers à OPO encombrants et ne sont souvent pas accordables. Récemment, les lasers OPO portables ont été mis à disposition. Cela peut grandement résout le problème de la portabilité. Deuxièmement, l’intégration de la prestation de lumière avec la sonde US avec lumière haute efficacité de couplage est une tâche difficile. Les lasers à diode petite ont été intégrés au sein de l’UST lui-même. Cependant, la puissance est beaucoup plus faible et nécessite des modifications faites sur commande dans les réservoirs de stockage souterrains qui le rend encore plus cher38. Couplage externe effective de lumière et l’UST il faut faire. Troisièmement, la disponibilité d’un commercial clinique États-Unis système d’imagerie pour PAI avec accès aux données brutes canal et RSS compatibles pour l’acquisition de données. Récemment, ces systèmes sont devenus disponibles dans le commerce.
Autres problèmes mineurs sont d’augmenter la cadence d’imagerie efficace. C’est actuellement limité par le taux de répétition des impulsions du laser. La plupart OPO lasers ont une fréquence de répétition des impulsions de jusqu'à 200 Hz. Pulsed lasers à diode ont un taux beaucoup plus élevé de répétition impulsions de quelques kHz. L’utilisation de ces lasers contribuera à l’amélioration du cadre d’imagerie taux significativement34. En outre, la disponibilité des agents de contraste très peu approuvés par la FDA (comme MB) est une autre limite pour clinique PAI. Beaucoup de recherche est réalisé dans la recherche et les essais d’agents de contraste différent pour PAI. Autres aspects mineurs doivent également être pris en considération lors de l’exécution de poche PA d’imagerie. Comme nous utilisons une sonde poche sur l’animal, il y aura une erreur dû au mouvement des mains lors de la manipulation de la titulaire. Soin devrait être prise pour minimiser cette erreur. En outre, tout en montrant l’aiguille en temps réel suivi, l’aiguille exactement dans le plan de positionnement au centre de l’UST est tout à fait crucial pour obtenir le signal maximum de PA de l’aiguille et de suivre avec succès. Par surmonter tous ces défis, le PAI peut être un outil d’imagerie clinique viable pour nombreuses utilisations (organites de la cellule aux organes) y compris l’imagerie des vaisseaux sanguins, vaisseaux du cerveau, tumeurs, SLN, vessie et les cellules tumorales circulantes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Les auteurs ont aucun intérêts financiers pertinents dans le manuscrit et aucun autres conflits d’intérêts potentiels de divulguer.
Acknowledgments
Les auteurs tiennent à souligner l’appui financier de la subvention de recherche de niveau 1 financée par le ministère de l’éducation à Singapour (RG48/16 : M4011617) et niveau 2 subvention de recherche financé par le ministère de l’éducation à Singapour (ARC2/15 : M4020238). Les auteurs aimerait Dr Rhonnie Autriche didi pour son aide avec animal de manutention.
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).
