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Bioengineering

Hand-Held klinische photoakustische Imaging-System für Echtzeit-nicht-invasive kleine Tier Imaging

doi: 10.3791/56649 Published: October 16, 2017

Summary

Eine klinische handheld photoakustische imaging-System wird für die Echtzeit-nicht-invasive kleine Tier Bildgebung nachgewiesen werden.

Abstract

Übersetzung der photoakustische Bildgebung in der Klinik ist eine große Herausforderung. Handheld-Echtzeit-klinische photoakustische bildgebende Systeme sind sehr selten. Hier berichten wir eine kombinierte photoakustische und klinische Ultraschall-imaging-System durch die Integration einer Ultraschallsonde mit Lichtleitung für das kleine Tier Imaging. Wir zeigen dies durch zeigt Sentinel Lymphknoten Bildgebung bei Kleintieren zusammen mit minimal-invasiven Echtzeit Nadelführung. Eine klinische Ultraschall-Plattform mit Zugriff auf raw-Kanal ermöglicht die Integration von photoakustische Bildgebung zu einem handheld in Echtzeit klinische photoakustische imaging-System. Methylenblau wurde für Sentinel Lymphknoten Bildgebung bei 675 nm Wellenlänge verwendet. Darüber hinaus war Nadelführung mit dual modal Ultraschall und photoakustische Bildgebung mit dem abbildenden System angezeigt. Tiefe Bildgebung von bis zu 1,5 cm zeigte sich mit einem 10 Hz-Laser auf eine photoakustische Bildgebung Framerate von 5 Frames pro Sekunde.

Introduction

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Für die Detektion und Staging von Krebs, verschiedene bildgebende Verfahren zur Verfügung. Einige der weit verbreiteten bildgebenden Verfahren sind Magnetresonanz-Tomographie (MRT), Röntgen Computertomographie (CT), Röntgen, Ultraschall (US), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Fluoreszenz-imaging, etc.1,2, 3 , 4., aber einige der vorhandenen bildgebenden Techniken sind entweder invasive, schädlichen Strahlung, oder sind langsam, teuer, sperrig oder unfreundlich zu den Patienten. So gibt es ein ständiger Bedarf zur Entwicklung neuer, schneller und kostengünstiger bildgebender Verfahren für Diagnostik und Therapie5.

Photoakustische Bildgebung (PAI) ist ein aufstrebenden bildgebendes Verfahren, das optische kontrastreich mit hochauflösenden Ultraschall in einem tieferen bildgebenden Tiefe5,6,7,8kombiniert, 9. In PAI dient ein kurzen Laserpuls Gewebe Bestrahlung. Das Licht wird durch das Gewebe absorbiert, führt zu einem kleinen Temperaturanstieg. Durch die thermoelastische Expansion werden Druckwellen (in Form von Schallwellen) im Gewebe erzeugt. Die erzeugten akustischen Wellen (auch bekannt als photoakustische (PA)) sind mit einem Wideband-Ultraschall-Wandler erworben (UST) außerhalb der Grenzen des Gewebes. Diese erworbenen PA-Signale können verwendet werden, um PA-Bilder, die strukturelle und funktionelle Informationen innerhalb des Gewebes zu rekonstruieren. PAI hat eine breite Palette von Anwendungen, einschließlich: Blutgefäß Bildgebung, Sentinel Lymphknoten Bildgebung, Bildgebung des Gehirns Gefäßsystem, Tumor-Bildgebung, molekulare Bildgebung, etc.10,11,12, 13,14,15 PAI hat zahlreiche Anwendungen aufgrund ihrer Vorteile, nämlich: tiefer Eindringtiefe, gute räumliche Auflösung und hohe Weichgewebe Kontrast. Der Kontrast in PAI kann endogene aus Blut, Melanin, etc.sein. Wenn der endogene Kontrast nicht stark genug ist, wie exogene Kontrastmittel organischen Farbstoffen, Nanopartikel, Quantenpunkte, etc.16,17,18,19, 20 , 21 kann verwendet werden, zur Verbesserung des Kontrasts.

Obwohl PAI zahlreiche Vorteile im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren hat, ist klinische Übersetzung immer noch eine sehr große Herausforderung. Die wichtigsten Einschränkungen sind die sperrigen Natur der Laser verwendet wird, die meisten der USTs verwendet für die Datenerfassung sind nicht kompatibel mit klinischen US-Systeme und die Nichtverfügbarkeit von kommerziell verfügbaren klinischen US bildgebenden Systemen auf rohe Kanal zugreifen Daten. Erst in jüngster Zeit sind kommerzielle klinische US-Maschinen mit Zugriff auf Rohdaten zur Verfügung22geworden. In dieser Arbeit wollen wir die Machbarkeit der PAI mit einem handheld Set-up mit einem klinischen US-Plattform zu zeigen. Wir wollen dies demonstriert der nichtinvasiven Bildgebung des Sentinel Lymphknoten (SLNs) in einem kleinen Tiermodell.

Invasiven Brusttumoren sind eine der führenden Ursachen für Krebstod bei Frauen. Diagnose und staging Brustkrebs früh ist von entscheidender Bedeutung für die Entscheidung, Behandlungsstrategien, die die Prognose des Patienten eine wichtige Rolle spielen. Für eine Brustvergrößerung verwendet Krebs staging Sentinel-Lymphknoten-Biopsie (SLNB) in der Regel sind23,24. SLN ist der primären Lymphknoten, wo ist die Möglichkeit des Findens Krebszellen die höchste aufgrund von Metastasen. SLNBs beinhalten Einspritzen eines Farbstoffs oder ein radioaktiver Tracer, gefolgt von schneiden den Bereich mit einem kleinen Schnitt geöffnet und dann suchen die SLN visuell im Falle von Farbstoffen oder mit Hilfe von einem Geigerzähler, im Falle eines radioaktiven Tracers. Nach der Identifizierung werden ein paar SLN für histopathologische Studien24,25entfernt. Positive SLNB zeigt, dass der Tumor in der Nähe Lymphknoten und vielleicht auch auf andere Organe metastasiert hat. Negativen SLNB zeigt, dass die Wahrscheinlichkeit von Metastasen vernachlässigbar26. SLNB hat zahlreiche Komplikationen im Zusammenhang mit ihm wie Arm Taubheit, Lymphödem, etc.27 , SLNB verbundenen Komplikationen zu beseitigen, ein nicht invasives bildgebendes Verfahren erforderlich ist.

Für SLN-Mapping bei kleinen Tieren und Menschen ist PA Bildgebung mit Hilfe von verschiedenen Kontrast Agenten15,28,29,30,31 ausgiebig erforscht worden , 32. jedoch die derzeit eingesetzten Systeme können nicht in einem klinischen Szenario verwendet werden, wie oben ausgeführt. Ein weiteres Anliegen angesprochen werden ist der chirurgische Eingriff SLNB28beteiligt. Anpassung der minimal-invasiven Eingriffen für feine Nadelbiopsie Aspiration (Feinnadelaspirationsbiopsie) musste die Recovery-Zeit und die Nebenwirkungen der Patienten zu reduzieren. In dieser Arbeit wurde ein klinische US-System verwendet für kombinierte USA und PA Bildgebung verwendet wurde. Zur einfacheren Verwendung in klinischen Einrichtung, eine maßgeschneiderte Handheld-Halterung für Gehäuse Glasfaser und UST konzipiert wurde. Methylenblau (MB) wurde für die Identifizierung und Kartierung SLNs. Darüber hinaus verwendet, um Komplikationen im Zusammenhang mit der SLNB-Operation zu beseitigen, nicht-invasive Echtzeit-Nadel tracking ist auch gezeigt.

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Protocol

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alle Tierversuche durchgeführt nach den anerkannten Richtlinien und Verordnungen der institutionellen Animal Care und Nutzung Ausschuss der Nanyang Technological University, Singapore (Tier-Protokollnummer ARF-SBS / NIE-A0263).

1. Handheld Echtzeit-klinische PA und uns Imaging System

  1. die schematische Darstellung der handheld klinische PAI System 33 ist in Figur 1a dargestellt. Es besteht aus einem optischen parametrischen Oszillator (OPO) Laser gepumpt durch einen Frequenz verdoppelt Nanosekunde gepulster Nd: YAG Pumpe Laser, einem gegabelten optische Faserbündel ( Abbildung 1 b), eine maßgeschneiderte 3D-Druck handheld Sonde Fassung ( Abbildung 1 c) 33, klinische dual modal-USA und PA-System und eine klinisch vereinbar lineare Anordnung UST (siehe Tabelle der Werkstoffe).
  2. Starten Sie die Software des Herstellers im klinischen US-System durch Klicken auf das Symbol für die Software auf dem Desktop.
  3. Wählen Sie den Touch-Screen, der ' Forschung ' Taste, um das US-System in der Forschung-Modus zu betreiben. Klicken Sie auf die kombinierten USA und PA imaging-Skript aus der Liste und klicken Sie auf den Betriebsschalter für Bildgebung in den Kombinationsmodus.
  4. Synchronisieren der klinischen US-System mit dem Laser mit der Laser-Trigger, oder mit einer Fotodiode.
    Hinweis: Schließen Sie die feste Synchronisierung heraus aus dem Laser US System Sync in. Achten Sie darauf, positives Signal der Transistor-Transistor-Logik (TTL) als das Sync-Signal zur Verfügung zu stellen. Eine Photodiode Signal kann auch für Sync Zweck verwendet werden. Die US-System Sync in ist mit der Fotodiode Detektor mit einer Photodiode Bias-Modul verbunden. Immer wenn der Laser eingeschaltet ist, gibt die Fotodiode ein Signal auszulösen und synchronisieren Sie den Laser und das US-System. Führen Sie diesen Schritt jedes Mal.
  5. Schalten Sie den Laser im Netzbetrieb wechseln, und drehen Sie den Schlüssel auf der linken Seite auf dem Laser-Controller. Starten den Laser nach Sicherstellung der Wiederholung beträgt 10 Hz (F10 wird auf dem Display angezeigt werden) und die Q-Switch-Verzögerung ist so niedrig wie 170 µs, niedrige Laserenergie zu gewährleisten. Um die Verzögerungszeit eingestellt, drücken Sie die select-Taste bis Sie sehen in der Verzögerung schätzen und auf 170 erhöhen.
    Hinweis: Der Laser dauert ca. 20 min zum warm up
  6. Öffnen Sie die Softwareschnittstelle auf einem Computer und in der Goto-Menü die Wellenlänge als 675 nm und drücken Sie die ' Start ' Taste, um die Wellenlänge bei 675 nm.
    Hinweis: Der Laser kann abgestimmt von 670 bis 2.500 nm, jedoch ist es instabil bei 670 nm.
  7. Drücken Sie den Auslöser gedrückt und schalten Sie den Laser mit dem Schalter, richten Sie den Laserstrahl auf die Faser geben.
  8. Mit einen 1 Zoll (2,5 cm) Durchmesser plankonvexe Linse der Brennweite 15 mm, Fokussierung des Laserstrahls auf die Faserbündel, so dass das Licht auf dem Faserende Eingang fällt.
    Hinweis: Die optische Faser hat 1.600 kleine Fasern gebündelt. Es ist in der Mitte mit zwei rechteckigen Ausgabe enden gegabelt, die 800 optische Fasern haben. Die 800 Fasern werden in eine Fläche von 0,1 x 4 cm, verpackt, passend mit den Abmessungen der UST. Der Kerndurchmesser jede optische Faser ist 185 µm mit einer numerischen Apertur von 0,22.
  9. Schalten Sie den Laser nach Ausrichtung.
  10. Aus 4 Sonde Halter mit verschiedenen Blickwinkeln der Beleuchtung (0°, 5°, 10° und 15°) wählen Sie die entsprechenden Sondenhalter basierend auf der Anwendung (Tiefe von imaging, Größe des Objekts, die Form des Objekts und Lage des Objekts).
    Hinweis: Die Sonde Inhaber wurden entworfen und 3D-Druck im Labor. Er hat drei Steckplätze, zwei für die gegabelten Lichtleitfasern und die zentrale für die UST. Die Dimension der Sondenhalter stützte sich auf die Abmessungen der Lichtleitfaser und UST. Monte-Carlo-Simulationen wurden durchgeführt, um die Beleuchtung erforderlich für imaging SLNs bei höheren Tiefe zu studieren. SNR lag in einer geringeren Tiefe für eine Lichtstärke von 15 ° 33.
  11. Passen die gegabelten optische Faser in 3D gedruckte Sondenhalter Beleuchtung schräg von 15˚.
  12. UST in der Zentrum-Slot des Inhabers einfügen.
    Hinweis: Abbildung 1 d zeigt das Foto eines Sondenhalter mit Glasfaser und UST. Die linear array UST hat 128 Array-Elemente. Die Center-Frequenz der UST beträgt 8,5 MHz und die gebrochene Bandbreite beträgt 95 %. Die Länge der UST ist 3,85 cm. Aber das System hat nur 64 parallele Datenerfassung Hardware und erfordert, dass zwei laser-Impulse zum Erfassen von Daten aus den 128 Elementen. Daher ist die effektive Bildrate des Systems eine halbe Pulswiederholrate des Lasers, die 5 Frames pro zweite 34 ist.
  13. Stellen Sie den Abstand zwischen UST und dem Faserende bis 1 cm durch Lösen der Schrauben auf der Seite und ziehen Sie ihn nach dem Einstellen der genauen Entfernung.
    Hinweis: Die Parameter sind für SLN Bildgebung mit Simulation und phantom Experimente 33 optimiert. Die UST kann mit den beiden Schrauben am Sondenhalter gesichert werden. Dies bietet die Flexibilität, der Abstand zwischen Glasfaser und UST variieren.
  14. Schalten Sie den Laser und achten Sie darauf, einen rechteckigen Laserstrahl zu erhalten vor vor der UST Ort.
  15. Schalter der Laser ausgeschaltet. Erhöhen die Laserenergie (durch Erhöhung der Verzögerung) auf den gewünschten Wert für die Bildgebung Zweck.
    Hinweis: Finden Sie im Handbuch für die maximale Verzögerung, die für den ND: YAG-Laser festgelegt werden kann. Die gewünschte Delay-Wert für dieses System für SLN Imaging wurde eingerichtet, um 210.

2. Auflösung Charakterisierung

  1. die im Handel erhältlichen Huhn Gewebe Platte nehmen und schneiden Sie es in eine 6 x 6 cm 2 Platte. In 0,5 cm dicke Scheiben schneiden mit einem Messer.
  2. Legen Sie ein Point-Objekt, wie eine Nadel 23 G, der Durchmesser von 0,6 mm auf Huhn Brustgewebe.
  3. Schalten Sie den Laser
  4. .
    Achtung: Schutzbrille sollte getragen werden, bei der Arbeit mit dem Laser für den Rest des Protokolls. Während der Alignment-Prozess wurde eine Ausnahme gemacht, da die Laserenergie schwach war.
  5. PA nehmen Bilder von der Nadel in unterschiedlichen Tiefen durch Stapeln mehrerer Huhn Brust Gewebe Scheiben Dicke 0,5 cm eins nach dem anderen bis zu 3 cm. anwenden U.S. Gel zwischen Hähnchenbrust Gewebeschichten, uns die Kopplung zu verbessern.
  6. Und speichern die Bilder Strahl gebildet als .mat Datei.
  7. Schalten Sie den Laser.
  8. Verarbeiten die Daten mit dem internen Code mit Bildverarbeitungs-Software 17.
    Hinweis: Um die axialen und lateralen Auflösung zu bestimmen, die Point-Spread Funktion aus den normalisierten PA-Signalen entlang der jeweiligen Richtungen zu finden und sie an einer Gaußverteilung Funktion 17 anpassen. Erhalten Sie die volle Breite am halben Maximum. Um die Point-spread-Funktion zu erhalten, ist es erforderlich, einen Punkt zu Bild. Allerdings gibt es eine weitere Möglichkeit eine Point-spread-Funktion zu erhalten, wenn ein Punkt-Ziel imaging schwierig ist (wie in unserem Fall für einen sehr kleinen Punkt Ziel das Signal recht klein ist und daher wir ein etwas größeres Ziel verwenden). Wenn das Ziel groß ist, nicht direkt den Punkt Funktion verteilt, man kann eine Kante zu verbreiten-Funktion erhalten. Dann erhält man indem man die erste Ableitung der Funktion Rand verteilen, die Point-spread-Funktion. Es ist daher nicht unbedingt ein Punkt-Ziel verwenden zur Berechnung der Auflösung 22.

3. Tierische Vorbereitung für SLN Imaging

< p Class = "Jove_conZelt "> Hinweis: das handheld klinische Abbildungssystem oben beschriebenen zeigte sich für Kleintiere SLN-Bildgebung. Für Experimente wurden 6 bis 8 Wochen alten gesunde, weibliche Ratten (NTac:Sprague Dawley, 220 ± 30 g) beschafft. Weibliche Ratten verwendet werden, weil das Auftreten von Brustkrebs bei männlichen Ratten seltener ist. Männliche Ratten können jedoch auch für das Studium verwendet werden. Darüber hinaus werden in der Literatur, weibliche Ratten verwendet allgemein für die SLN-Bildgebung.

  1. Rat Anesthetization
    1. vor Bildgebung, betäuben die Ratte mit der Anästhesie-Lösung enthält einen Cocktail von Ketamin (100 mg/mL), Xylazin (20 mg/mL) und injizierbare Kochsalzlösung mit einem Anteil von 2:1:1. Eine sterile chirurgische 1 mL Spritze mit Nadel (27G, ½ Zoll) 0,2 mL Cocktail pro 100 g Tier Gewicht hinzufügen.
    2. Genick den Hals der Ratte mit der Hand und den rechten unteren Quadranten des Abdomens mit einem Alkoholtupfer desinfizieren. Anästhesie-Lösung in den tierischen Körper einspritzen.
    3. Sorgen dafür, dass das Tier betäubt wird, indem auf Reflex auf Zehe Prise.
  2. Für SLN imaging, entfernen Sie Haare aus der Region of Interest sanft mit handelsüblichen Haarentfernungs-Creme. Verwenden Sie so viel wie erforderlich, um das Gebiet vollständig zu bedecken. Entfernen Sie die Creme mit einem nassen Wattestäbchen nach 3-5 min Anwendung. Um Augen von Trockenheit und versehentliche Laser Schaden zu verhindern, gelten künstliche Träne Salbe.
  3. Statt blau underpad auf den Tisch und positionieren Sie das Tier seitlich darauf. Verwalten Sie einatmen Anästhesie durch eine Nase Kegel (0,75 % Isofluran zusammen mit Sauerstoff (1,2 L/min)), um das Tier in Narkose während der Experimente zu erhalten. Das Pulsoximeter an der Hinterpfote der Ratte zur Überwachung der Herzfrequenz und periphere Sauerstoffsättigung während Experimente Clip.
    Hinweis: Stellen Sie sicher, dass das Tier ist warm mit einem Heizkissen für Tiere zugelassen.

4. In Vivo SLN Imaging von Ratten

  1. vor Bildgebung, 0,5 bis 1 mL der US-Gel auf die Haut mit einer Spritze auftragen und verteilen Sie es nun mit einem Applikator. Legen Sie eine 0,5 cm dicke Hähnchenbrust Gewebe Scheibe der Größe 6 x 6 cm auf der imaging-Bereich und tragen Sie mehr US-Gel auf das Huhn Gewebe Kupplung verbessern.
    Hinweis: LNs befinden sich unter der Haut (innerhalb von ca. 2-3 mm) bei Ratten. Beim Menschen LNs sind in einer Tiefe von 1 cm. daher, Huhn Gewebe befindet sich in der imaging-Bereich der Ratte, das menschliche bildgebende Szenario zu imitieren. Alternativ kann Gewebe imitiert Phantome anstelle von Huhn Gewebe verwendet werden.
  2. Schalter auf dem Laser. Bringen Sie die Halterung Handheld-Sonde auf dem Huhn Gewebe und Scan It (Verschieben der Inhaber von rechts nach links) in die USA und PA Kombinationsmodus.
    Hinweis: Der Bereich des Laserstrahls ist etwa 3 cm 2 und Fluence errechnet sich zu ca. 8 mJ/cm 2, das ist weniger als die American National Standards Institute (ANSI) Sicherheitsgrenze (20 mJ/cm 2) 35 . Die bildgebende Tiefe wird auf 2 cm im klinischen US-System festgelegt. Schutzbrille sollte getragen werden, zu allen Zeiten als der Laser eingeschaltet ist.
  3. Stellen die bildgebende Tiefe 2 cm für PA imaging.
  4. Erhalten ein Kontrollbild der Region von Interesse, über das vordere Bein im thorakalen Bereich durch Verschieben der Handheld-Sonde von Seite zu Seite vor der Injektion des Kontrastmittels.
    Hinweis: Alle Daten werden in den Strahl gebildet Daten gespeichert zur Weiterverarbeitung geben.
  5. 0,2 mL des Kontrastmittels, (d.h., MB (10 mg/mL)) in das Maul des Tieres Spritzen und massieren Sie es gut für 2 min Kontrast Agent in die Lymphknoten durch die Lymphgefäße Erleichterung.
  6. Scan nach 5 min mit dem handheld Sonde entlang das Huhn Gewebe um die SLN mit Hilfe von PA-Signal zu finden.
    Hinweis: Alle Bilder sind im Strahl gebildet Datentyp gespeichert.
  7. Klicken Sie auf die ' Einfrieren ' Taste von den Steuerelementen auf dem US-System und klicken Sie auf die ' ausgewählte Frames exportieren ' Button von Touchscreen-Monitor, die aufgezeichneten Daten zu exportieren.
    Hinweis: Daten können in verschiedenen Formaten gespeichert werden nämlich Strahl gebildet, Scan konvertiert, Kanal und IQ
  8. 2 weitere Ebenen von 0,5 cm dicken Huhn Gewebe Scheiben auf das Tier einzeln hinzufügen und suchen Sie die SLN um die Machbarkeit der Bildgebung bis 1,5 cm Tiefe zeigen.
  9. Nach dem Imaging, entfernen die Huhn-Gewebe-Scheiben
  10. Schalten Sie den Laser.

5. PA-Spektroskopie der SLN

  1. auf die Ratte eine 0,5 cm dicke Hähnchenbrust Gewebe Scheibe legen.
  2. Legen Sie die Wellenlänge des Lasers als 670 nm unter Verwendung der Software.
  3. Schalter auf dem Laser. Scannen mit der Sonde entlang das Huhn Brustgewebe auf dem Gebiet der SLN mit Hilfe von PA-Signal gefunden.
  4. Die Sonde stabil zu halten, nach der Identifizierung der SLN.
  5. Auf dem Laser tuning-Software zur Verfügung gestellt, geben Sie die Wellenlänge als 800 nm in der Lasersoftware, stellen Sie die Geschwindigkeit als 10 nm/s, und klicken Sie auf die ' Start ' Schaltfläche ".
    Hinweis: Das hängt die Wellenlänge von 670 nm bis 800 nm mit einer Geschwindigkeit von 10 nm/s. Der Wellenlängenbereich variiert werden soll hängt das Absorptionsspektrum des Kontrastmittels verwendet. MB hat eine scharfe Spitze rund 670 nm.
  6. Beobachten die Veränderung in PA-Signal mit Wellenlänge ändern.
  7. Schalten Sie den Laser.
  8. Entfernen Sie das Huhn Gewebe Slice.

6. Echtzeit-Nadel Tracking mittels PAI

  1. Ort eine 0,5 cm dicke Hähnchenbrust Gewebe Slice auf das Tier. Legen Sie die Wellenlänge auf 675 nm.
  2. Schalter auf dem Laser. Bewegen die Sonde zu lokalisieren und identifizieren SLN auf dem Bildschirm mit Hilfe des Signals PA.
  3. Echtzeit-tracking-Nadel
    1. injizieren eine 23 G-Nadel, Abmessungen 0,6 x 32 mm 2, parallel zur UST durch das Huhn Gewebe in das Tier, SLN, zu erreichen, während es in Führung in Echtzeit auf dem klinischen US-Systemmonitor.
  4. Nach Experimenten, schalten Sie den Laser aus. Das Huhn-Gewebe zu entfernen und Puls Oximeter vom Tier und verschieben Sie das Tier an der Werkbank. Das Ultraschallgel auf die Ratte mit Baumwoll-Tücher reinigen.
  5. Legen Sie das Tier auf seine Bettwäsche und überwachen, bis er das Bewusstsein wiedererlangt.
  6. Das Tier in seinen Käfig zurück, nachdem sein Verhalten normal ist.

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Representative Results

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Figure 1
Abbildung 1: Systembeschreibung. (a) schematische Darstellung der PAI-System mit dual modal klinischen US-System. OPO - optischen parametrischen Oszillator, der - optische Faserbündel, FH - Faser-Halter, USM - klinischen US-Maschine. Die Faser-Halter integriert die UST und zwei Ausgabe-Glasfaser-Bundle. Die Anästhesiegerät Isoflurane und Sauerstoff versorgen wird verwendet, um das Tier in Narkose während der Experimente zu halten. (b) Foto der gegabelten Lichtleitfaser. Ich / P zeigt die Eingabe Ende der Faser und die O/P Ausgabe die beiden Enden der Faser. (c) Lichtbild des Inhabers Faser mit drei Slots, zwei für die optische Faser und eine für die UST. (d) Foto von der UST und die von enden in der Faser-Halter fixiert. (e) axiale Auflösung in unterschiedlichen Tiefen geprägt aus die volle Breite am halben Maximum berechnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Um die axialen und lateralen Auflösung des imaging Systems charakterisieren, wurde eine Nadel von 0,6 mm Durchmesser verwendet. Das PA-Signal entlang der axialen und lateralen Richtung wurde aufgetragen und auf eine Gauß-Verteilung-Funktion ausgestattet. Die volle Breite am halben Maximum wurde in verschiedenen Tiefen von 1 cm, 1,5 cm, 2 cm, 2,5 cm und 3 cm berechnet. Das Grundstück für axiale Auflösung zeigt Abbildung 1e. Die axiale Auflösung wurde berechnet 207 ± 45 µm. Die laterale Auflösung wird durch das Element Tonhöhe der UST begrenzt. Theoretisch ist die laterale Auflösung 300 µm, die die Elementgröße der UST. Die laterale Auflösung berechnet aus dem erworbenen PA Bild der Nadel wurde 351 µm.

MB ist ein Food und Drug Administration (FDA) genehmigt Farbstoff SLN Bildgebung und wird allgemein für SLNB klinisch verwendet. Daher wurde MB für nicht-invasive Bildgebung des SLN mit PAI ausgiebig verwendet. Eine optimale Wellenlänge von 675 nm wurde ermittelt anhand des optischen Spektrums und Einschränkungen der Laser Abstimmbarkeit36. Abbildung 2a zeigt das Foto von der rasierte Region der Ratte für SLN Bildgebung. Die rote gestrichelte Linie zeigt die ungefähre Abbildungsebene für kombinierte USA und PA imaging. Alle kombinierten PA und den USA gezeigten Bilder sind Screenshots aus dem klinischen US Systemmonitor genommen. Abbildung 2 b zeigt die kombinierte USA und PA Bild vor der Injektion von MB. Es ist festzustellen, dass kein PA-Signal im Bild vorhanden ist. Aus den USA können Bilder der Lymphknoten identifiziert werden, sondern nur durch ein geschultes Auge wie der Kontrast sehr schlecht ist. Darüber hinaus kann nicht mit einfachen US-Bilder der SLN von anderen Lymphknoten unterschieden werden. Abbildung 2 c zeigt die kombinierte USA und PA Bild nach MB-Injektion. Von diesem Bild kann die SLN sehr leicht durch das starke PA-Signal von MB in der SLN identifiziert werden.

Figure 2
Abbildung 2: SLN Identifikation. (a) Foto von der rasierte bildgebenden Region der Ratte für SLN imaging, zeigt die rot gepunktete Linie die ungefähre Ebene der B-Scan-USA sowie PAI; (b) kombiniert USA und PA Bild vor MB Injektion, (c) USA und PA Bild nach MB Injektion kombiniert. Die Maßstabsleiste auf der X und Y Achse repräsentiert die gleiche Länge. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Echtzeit-PA-Spektroskopie kann mit der klinischen PA imaging-System durch Variation der Wellenlänge des Lasers bei der Bildgebung erfolgen. MB hat eine scharfe Aufnahme Spitze rund 670 nm. Ja, durch Variation der Wellenlänge von 670 nm bis 800 nm, das PA-Signal von der SLN verschwindet langsam. Abbildung 3a -c zeigt die SLN auf 670 nm, 700 nm und 800 nm, beziehungsweise.

Figure 3
Abbildung 3: Real-Time PA Spektroskopie. (a) SLN auf 670 nm, (b) SLN bei 700 nm, (c) SLN bei 800 nm. Die Maßstabsleiste auf X und Y Achse repräsentiert die gleiche Länge. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

SLNs befinden sich in der Regel zwischen 1-2 cm Tiefe von der Hautoberfläche in den Menschen. Bei kleinen Tieren finden Sie direkt unter der Haut SLN. Daher wurde um eine menschliche SLN bildgebenden Szenario zu imitieren, Hähnchenbrust Gewebe an der Oberseite der Hautoberfläche der Ratte gelegt. Darüber hinaus wurde um zu zeigen, dass tiefe imaging, die Dicke der Hähnchenbrust Gewebe steigt in Schritten von 0,5 cm bis zu 1,5 cm. bis zu 1,5 cm Tiefe Bildgebung mit dem aktuellen Setup beobachtet. Die bildgebende Tiefe könnte mit höheren Laserenergie weiter verbessert werden.

Figure 4
Abbildung 4: Echtzeit-Nadelführung. (a) US-Bild zeigt Nadel, gekennzeichnet durch einen gelben Pfeil, (b) Screenshot der Führung kombiniert uns und PA-Bild zeigt Nadelführung für die SLN gefüllt mit MB. Die Maßstabsleiste auf X und Y Achse repräsentiert die gleiche Länge. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Non-invasive Identifizierung zusammen mit Feinnadelaspirationsbiopsie SLN reduziert Komplikationen im Zusammenhang mit SLNB Chirurgie. Sonographie ist das am häufigsten verwendete Technik für Nadelführung bis jetzt37. Aber der Kontrast der USA ist sehr schlecht, Nadelführung im Gewebe zu visualisieren. Nicht-invasive, erscheint hier in Echtzeit Nadelführung für Biopsie SLN mit PAI. Abbildung 4a zeigt das Bild der Nadelführung durch US-Bildgebung nur in der SLN. Es ist offensichtlich, dass der Kontrast zur Verfügung gestellt von USA nicht gut ist und ein geschultes Auge braucht zu verfolgen und die Nadel richtig zu führen. Abbildung 4 b zeigt die kombinierte USA und PA Bild des Nadel Anleitung in Vivo. Mit PA imaging der Kontrast erhalten von der Nadel ist sehr hoch und kann leicht überwacht werden und verfolgt in Vivo. Film-S1 zeigt das Video von PA imaging für in Vivo Nadel verfolgen. Sobald die Nadel der SLN erreicht, kann ein kleiner Teil der SLN-Gewebe zur histologischen Untersuchung herausgenommen werden.

Film S1:please Klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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Discussion

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Die Kosten für Screening, Diagnose und Behandlung von Krebs ist derzeit sehr hoch. Es gibt verschiedene bildgebende Modalitäten die Früherkennung und Diagnose eingesetzt werden. Ein Großteil dieser bildgebenden Verfahren haben jedoch Beschränkungen einschließlich sperrige Maschinengröße, invasive Diagnostik, Unfreundlichkeit, Patienten, zu teuer, Anforderung von ionisierender Strahlung oder Einsatz von radioaktivem Kontrastmittel. Daher ist eine effiziente, kostengünstige, Echtzeit-Bildgebung und Leitsystem viel benötigt. Kombinierte USA und PA Bildgebung ist eine Technik, die für effektive, nicht-invasive Screening, Diagnose und Staging des Krebses verwendet werden kann. Klinische PA imaging kann mit FDA-Zulassung Kontrastmittel wie MB mehr möglich gemacht. Wie PA imaging ein nicht-invasives Verfahren ist, beseitigt es die Komplikationen im Zusammenhang mit SLNB Chirurgie.

Es gibt einige Herausforderungen, die Aufmerksamkeit erfordern, bevor klinische PAI erfolgreich wird. Erstens muss die Größe des Lasers verwendet für PAI kompakter erfolgen. Sie sind groß, schwer und erfordern oft einen optischen Tisch, sie unterzubringen. Sie sind auch empfindlich auf sehr kleine Änderungen in der Ausrichtung, daher nicht tragbar für die klinische Anwendung. Kleinen Diodenlaser Ausbeute sehr geringen Leistung im Vergleich zu sperrig OPO Laser und sind oft nicht abstimmbaren. Vor kurzem wurden tragbare OPO Laser zur Verfügung gestellt. Dies kann erheblich des Problems der Portabilität. Zweitens ist die Integration der Lichtleitung mit der US-Sonde mit hoher Lichteinkopplung Effizienz eine anspruchsvolle Aufgabe. Kleinen Diodenlaser wurden innerhalb der UST integriert sich. Jedoch die Kraft ist wesentlich geringer und erfordert maßgeschneiderte Änderungen in USTs macht es sogar teurer38. Wirksame externe Kopplung von Licht und UST muss getan werden. Drittens die Verfügbarkeit eines kommerziellen klinischen US imaging Systems für PAI mit Zugriff auf raw Kanaldaten und kompatibel USTs für die Datenerfassung. Vor kurzem, sind solche Systeme kommerziell verfügbar geworden.

Weitere kleinere Herausforderungen sind, die effektive bildgebende Frame-Rate zu erhöhen. Dies wird derzeit durch die Pulswiederholrate des Lasers begrenzt. Die meisten OPO Laser haben eine Pulswiederholrate von bis zu 200 Hz. Pulsed Diodenlaser haben einen viel höheren Pulswiederholrate von einigen kHz. Der Gebrauch dieser Laser hilft bei der Verbesserung der bildgebenden Frames rate deutlich34. Außerdem ist die Verfügbarkeit von sehr wenigen FDA zugelassenen Kontrastmitteln (wie MB) eine weitere Einschränkung für klinische PAI. Viel Forschung wird bei der Suche und Erprobung verschiedener Kontrastmittel für PAI durchgeführt. Außerdem müssen andere Nebenaspekte während der Durchführung handheld PA imaging berücksichtigt werden. Da wir eine Handheld-Sonde am Tier verwenden, werden einige Fehler durch die Bewegung der Hände beim Umgang mit der Halterung. Größter Sorgfalt sollte um diesen Fehler zu minimieren. Außerdem ist während zeigt Echtzeit-tracking-Nadel, Positionierung der Nadel genau in der Ebene in die Mitte der UST sehr wichtig, um das maximale PA-Signal von der Nadel erhalten und erfolgreich zu verfolgen. Durch all diese Herausforderungen überwinden, PAI kann eine tragfähige klinische imaging-Tool für weit verbreitete Anwendungen (Zellorganellen, Organe) einschließlich Darstellung der Blutgefäße, Gehirn Gefäßsystem, Tumoren, SLN, Harnblase und zirkulierenden Tumorzellen.

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Disclosures

Die Autoren haben keine relevanten finanziellen Interessen im Manuskript und keine andere potenzielle Interessenkonflikte nicht offenlegen.

Acknowledgments

Die Autoren möchten die finanzielle Unterstützung durch das Tier-1-Forschungsstipendium, gefördert durch das Ministerium für Bildung in Singapur zu erkennen (RG48/16: M4011617) und Tier-2-Forschungsstipendium finanziert vom Bildungsministerium in Singapur (ARC2/15: M4020238). Die Autoren möchten Dr. Rhonnie Österreich Dienzo für seine Hilfe mit Umgang mit Tier zu erkennen.

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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References

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Hand-Held klinische photoakustische Imaging-System für Echtzeit-nicht-invasive kleine Tier Imaging
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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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