Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Bioengineering

כף יד Photoacoustic קליניים מערכת הדמיה עבור בזמן אמת לא פולשנית הדמיה בעלי חיים קטנים

doi: 10.3791/56649 Published: October 16, 2017

Summary

Photoacoustic כף יד קליני מערכת הדמיה תודגמנה עבור בזמן אמת לא פולשנית הדמיה בעלי חיים קטנים.

Abstract

תרגום photoacoustic הדמיה לתוך המרפאה הוא אתגר גדול. מערכות הדמיה כף יד photoacoustic קלינית בזמן אמת הם נדירים מאוד. כאן, אנו מדווחים photoacoustic משולב ואולטרסאונד קליניים מערכת הדמיה באמצעות שילוב של החללית אולטרסאונד עם אור משלוח עבור הדמיה בעלי חיים קטנים. נדגים זאת באמצעות מציג בלוטת הזקיף הצומת לימפה הדמיה של חיות קטנות יחד עם הדרכה פולשנית מחט בזמן אמת. פלטפורמה סאונד קליניים גישה לנתוני ערוץ raw מאפשרת השילוב של photoacoustic המוביל קליניים כף יד בזמן אמת photoacoustic מערכת הדמיה הדימות. מתילן כחול שימש בלוטת הזקיף הצומת לימפה הדמיה-675 גל nm. בנוסף, הוצגה המחט הדרכה עם אולטרסאונד מודאלי כפול ו- photoacoustic הדמיה באמצעות מערכת הדמיה. עומק הדמיה של עד 1.5 ס מ הודגם עם לייזר 10 הרץ-photoacoustic הדמיה במסגרת שיעור של 5 מסגרות לשנייה.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

זיהוי, הזמני של סרטן, טכניקות הדמיה שונים הינם זמינים. חלק שיטות הדמיה בשימוש נרחב דימות תהודה מגנטית (MRI), רנטגן טומוגרפיה ממוחשבת (CT), רנטגן, אולטראסאונד (לנו), טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET), קרינה פלואורסצנטית הדמיה, וכו1,2, 3 , 4. אבל, כמה טכניקות הדימות הקיימים הם גם פולשני, יש קרינה מזיקה, או איטי, יקר, מגושם או עוין לחולים. לפיכך, יש צורך מתמיד לפיתוח חדשה, מהירה וחסכונית טכניקות הדמיה עבור אבחון וטיפול5.

Photoacoustic הדמיה (PAI) היא טכניקת דימות המתעוררים, המשלבת ניגודיות אופטי עשיר עם רזולוציה גבוהה אולטראסוניות עמוק הדמיה עומק5,6,7,8, 9. בפאי, פולס לייזר קצר משמש לרקמות הקרנה. האור נספג על ידי הרקמה אשר מוביל לעלייה קטנים בטמפרטורה. עקב התרחבות thermoelastic, גלי הלחץ (בצורה של גלים אקוסטיים) נוצרים בתוך הרקמה. הגלים שנוצר אקוסטי (הידוע גם בשם photoacoustic (פי אי) גלים) נרכש עם מתמר אולטרסאונד רחבת פס (UST) מחוץ לגבול רקמות. אותות הרשות הפלסטינית רכשה אלה ניתן לשחזר תמונות הרשות הפלסטינית, חשיפת המידע המבני ופונקציונליים בתוך הרקמה. פאי יש מגוון רחב של יישומים, כולל: דימות כלי דם, בלוטת הזקיף הצומת לימפה הדמיה, הדמיה מוחית להערכת, הגידול הדמיה, הדמיה מולקולרית, ועוד10,11,12, 13,14,15 פאי יש יישומים רבים עקב יתרונותיה, כלומר: עומק החדירה עמוק יותר, רזולוציה מרחבית טובה וחדות גבוהה רקמות רכות. הניגוד בין פאי ניתן אנדוגני של דם, מלנין, וכו '. כאשר הניגוד אנדוגני אינו חזק מספיק, סוכנים בניגוד אקסוגניים כמו צבעים אורגניים, חלקיקים, נקודות קוונטיות, ועוד16,17,18,19, 20 , 21 יכול לשמש לשיפור הניגודיות.

למרות פאי יש יתרונות רבים יחסית הדימות האחרות, תרגום קליני הוא עדיין אתגר מאוד גדול. המגבלות העיקריות הן טבעה מגושם של הלייזרים בשימוש, רוב USTs המשמש עבור רכישת הנתונים אינם תואמים קליניים בארה ב מערכות זמינות הלא זמינים מסחרית קליניים בארה ב הדמיה מערכות אשר נותנות גישה לערוץ raw נתונים. רק לאחרונה, מסחרי-קליניים בארה ב מכונות עם גישה אל הנתונים הגולמיים הפכו זמינים22. בעבודה זו, אנו שואפים להדגים את הכדאיות של פאי עם מלכודת כף יד באמצעות פלטפורמה קליניים בארה ב. אנו שואפים להדגים את זה על-ידי הצגת הדמיה לא פולשנית של נטור הלימפה (SLNs) במודל בעלי חיים קטנים.

שד פולשני גידולים הם אחד הגורמים המובילים מקרי המוות מסרטן בקרב נשים. באבחון של היערכות סרטן שד מוקדם חיוני להחלטה אסטרטגיות טיפול, אשר יש תפקיד חשוב ב הפרוגנוזה של החולה. השד סרטן בלוטת הזקיף הזמני הצומת לימפה ביופסיות (SLNB) הם בדרך כלל להשתמש23,24. SLN הוא הצומת לימפה העיקרי שבו האפשרות למצוא תאים סרטניים הוא הגבוה ביותר עקב גרורות. SLNBs לערב הזרקת צבע או מכשיר מעקב רדיואקטיבי, חותכת את האזור עם חתך קטן, ולאחר מכן באיתור את SLN חזותית במקרה של צבע או בעזרת מונה גייגר, במקרה של מכשיר מעקב רדיואקטיבי. לאחר זיהוי, כמה SLN יוסרו עבור מחקרים histopathological24,25. SLNB חיובי מציין כי הגידול שלח גרורות לבלוטות לימפה סמוכות, ואולי לאיברים אחרים. SLNB שלילי מציין ההסתברות של גרורות הוא זניח26. SLNB יש סיבוכים רבים המשויכים אליו כמו קהות זרוע, בצקת לימפתית, וכו27 כדי למנוע סיבוכים הקשורים SLNB, טכניקה הדמיה לא פולשנית נדרשת.

למיפוי SLN קטן בבעלי חיים ובבני אדם, הרשות הפלסטינית הדמיה יש נחקרו בהרחבה עם העזרה של ניגודיות שונים סוכנים15,28,29,30,31 , 32. עם זאת, המערכות המשמש כיום לא ניתן להשתמש בתרחיש קליניים כמו ציין קודם לכן. חשש נוסף יש לטפל הוא הליך כירורגי המעורבים SLNB28. התאמת נהלים פולשנית לביופסיה השאיפה מחט בסדר (FNAB) היה צורך כדי להפחית את זמן ההחלמה ואת תופעות הלוואי של המטופלים. בעבודה זאת, שימש מערכת ארה ב קליניים עבור הדמיה ארה"ב והרשות המשולב היה בשימוש. קלות שימוש בהגדרת קליני, שמותאמת אישית שנעשו כף יד בעל סיב אופטי דיור, רק תוכנן. מתילן כחול (MB) שימש זיהוי ומיפוי SLNs. בנוסף, כדי למנוע סיבוכים הקשורים לניתוח SLNB, לא פולשנית מחט בזמן אמת מעקב גם הוכח.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

כל הניסויים בוצעו על פי הנחיות שאושרו תקנות על-ידי הוועדה המוסדית חיה טיפול ושימוש של אוניברסיטת הטכנולוגי Nanyang, סינגפור (מספר פרוטוקול חיה הב-SBS / NIE-A0263).

1-כף יד בזמן אמת קליניים הרשות הפלסטינית ואת מערכת הדמיה אותנו

  1. שתתמודדו כף יד קליניים פאי מערכת 33 מוצג איור 1a. הוא מורכב לייזר אופטי פרמטרית מתנד (OPO) הנשאבים על-ידי תדירות הננו כפולים פעמו nd: yag משאבת לייזר, צרור סיב אופטי מתפצל לשניים ( איור 1b), 3D מחוייט מודפס (מחזיק המכשיר כף יד איור 1 ג) 33, קליני כפול מודאלי ארה"ב והרשות מערכת וכל מערך ליניארי קלינית תואם רק (ראה טבלה של חומרים).
  2. להפעיל את התוכנה שסיפק היצרן במערכת קליניים בארה על ידי לחיצה על הסמל של התוכנה משולחן העבודה.
  3. במסך מגע, בחר ' מחקר ' כפתור כדי להפעיל את המערכת ארה במצב של המחקר. לחץ על משולב ארה"ב והרשות הדמיה בסקריפט מהרשימה של סקריפטים, ולחץ על הלחצן הפעלה עבור הדמיה במצב משולב-
  4. סנכרון מערכת קליניים בארה עם לייזר באמצעות ההדק לייזר החוצה או באמצעות פוטודיודה.
    הערה: חבר את הסינכרון קבוע החוצה הלייזר לסינכרון המערכת ארה ב. ודא לספק אות לוגיקה (TTL) טרנזיסטור-טרנזיסטור חיוביים כמו האות סינכרון. אות פוטודיודה יכול לשמש גם לצורך סינכרון. ארה ב מערכת הסינכרון במחובר הגלאי פוטודיודה באמצעות מודול פוטודיודה הסטייה. בכל פעם הלייזר הוא אן, פוטודיודה נותן אות כדי לעורר וסנכרן את הלייזר ובמערכת בארה ב. לבצע שלב זה כל פעם.
  5. כדי להפעיל את הלייזר, לעבור על מתח AC, סובב את המפתח משמאל בבקר לייזר. להפעיל את הלייזר לאחר הבטחת החזרה שיעור הוא 10 הרץ (F10 יוצגו בתצוגה) העיכוב Q-switch הוא נמוך כמו 170 µs כדי להבטיח אנרגיית לייזר נמוך. כדי להגדיר את העיכוב, לחץ על מקש הבחירה עד שתראה את העיכוב לערך ולהגביר את זה ל 170.
    הערה: הלייזר לוקח כ- 20 דקות האם חם
  6. לפתוח את ממשק התוכנה במחשב והזן ב- goto תפריט הגל 675 ננומטר, הקש ' התחלה ' כפתור השעון כדי לקבוע את אורך הגל-675 nm.
    הערה: הלייזר ניתן לכוונן מ- 670 אותו 2500 ננומטר, עם זאת, זה יציב ב- 670 nm.
  7. הקש על לחצן סגירה ולהפוך את הלייזר על שימוש בבורר ליישור קרן הלייזר כדי סיבים קלט.
  8. באמצעות עדשה קמורה-פלאנו בקוטר 1 אינץ ' (2.5 ס מ) של אורך מוקד 15 מ מ, מיקוד קרן הלייזר על הצרור סיבים כזה כי כל האור נופל על סוף קלט סיבים.
    הערה: סיבים אופטיים יש סיבים קטנים 1,600 כרוכות יחד. זה הוא לשניים באמצע עם שני הקצוות פלט מלבני אשר יש 800 סיבים אופטיים, כל... הסיבים 800 עמוסים לתוך שטח של 0.1 x 4 ס מ, כדי להתאים הממדים של רק. הקוטר הליבה של כל סיב אופטי הוא 185 מיקרומטר, עם הפתח המספרי של 0.22.
  9. לכבות את הלייזר לאחר יישור.
  10. מ של ארבעת מחזיקי בדיקה עם זוויות שונות של תאורה (0°, 5°, 10° ו 15°) לבחור בעל המכשיר המתאים מבוססת על היישום (עומק של הדמיה, גודל האובייקט, צורה של אובייקט, ואת המיקום של האובייקט).
    הערה: בעלי רכב הגישוש תוכננו והודפס 3D במעבדה. . יש לו שלושה חריצי, שתיים סיבים אופטיים מתפצל לשניים ואחד מרכזי עבור רק... הממד של בעל המכשיר התבסס על הממדים של סיבים אופטיים, רק. סימולציות מונטה קרלו סיימו ללמוד את ההארה האור הדרוש עבור הדמיה SLNs בעומק גבוה יותר. SNR היה גבוה יותר בעומק נמוך יותר עבור תאורה של 15 ° 33.
  11. להשתלב סיב אופטי מתפצל לשניים את בעל המכשיר מודפס 3D ב זווית תאורה אור של 15˚.
  12. להכניס רק את לחריץ מרכז של בעל.
    הערה: d איור 1 מציג את התמונה של בעל בדיקה עם סיב אופטי, רק. ליניארית מערך רק יש 128 לרכיבי המערך. תדירות מרכז רק היא 8.5 מגה-הרץ והוא הפס החלקי 95%. אורך רק הוא ס מ 3.85. עם זאת, המערכת יש רק 64 מקבילים הנתונים רכישת חומרה ואינו דורש שניים בלייזר בפולסים כדי לאסוף נתונים מכל הרכיבים 128. לכן, קצב המסגרות יעיל של המערכת הוא חצי חזרה הדופק לייזר, אשר הוא 5 מסגרות לכל השני 34.
  13. להתאים את המרחק בין רק את הסוף סיבים 1 ס מ על ידי שחרור הברגים בצד ומהדקת לאחר התאמת את המרחק המדויק.
    הערה: הפרמטרים הממוטבות SLN הדמיה עם ניסויים פנטום 33 וחידונים. ניתן לאבטח את רק עם שני הברגים על בעל רגש. זה נותן גמישות כדי לשנות את המרחק בין סיבים אופטיים, את רק.
  14. על מתג לייזר ולעשות דאג לקבל קרן לייזר מלבנית במקום מול רק.
  15. מתג את הלייזר. הגברת האנרגיה לייזר (על-ידי הגדלת העיכוב) לערך הרצוי לצורך הדמיה-
    הערה: עיין במדריך של העיכוב המרבי שניתן להגדיר עבור nd: yag לייזר. היה להגדיר את הערך הרצוי עיכוב עבור מערכת זו עבור הדמיה SLN 210-

2. אפיון ברזולוציה

  1. לקחת את המתים רקמות עוף זמינים מסחרית ונחתוך את זה לתוך לוח 2 6 x 6 ס מ. בעזרת סכין חותכים אותו לפרוסות בעובי 0.5 ס מ.
  2. למקם אובייקט נקודה, כמו מחט 23 גרם של קוטר 0.6 מ"מ, על גבי רקמת חזה עוף-
  3. מתג ON הלייזר.
    התראה: משקפי בטיחות לענידה בעת העבודה עם הלייזר למשך השארית בפרוטוקול. חריג בוצע במהלך תהליך יישור, מאז האנרגיה לייזר היה חלש.
  4. הרשות לקחת תמונות של המחט בעומקים שונים על ידי סידור בערימה מרובים עוף חזה רקמות פרוסות בעובי 0.5 ס מ אחד-אחד למעלה עד 3 ס"מ. ג'ל החל בארה ב בין שכבות רקמת חזה עוף לשיפור אותנו צימוד.
  5. לשמור ולאחסן תמונות מעוצב-קרן כקובץ .mat.
  6. לכבות את הלייזר.
  7. לעבד את הנתונים עם הקוד הפנימי באמצעות עיבוד תוכנה 17 תמונות.
    הערה: כדי לקבוע את הרזולוציה צירית, לרוחב, למצוא את פונקציית נקודת-התפשטות מן האותות הרשות הפלסטינית מנורמל לאורך הכיוונים המתאימים, שיתאים להם היא פונקציית התפלגות Gaussian 17. להשיג לכל רוחב חצי מקסימום. כדי להשיג את הפונקציה הליין, זה נדרשת תמונה נקודה. עם זאת, יש דרך אחרת להשגת פונקציה הליין כאשר הדמיה נקודת יעד קשה (כמו במקרה שלנו, עבור יעד נקודה זעירה האות הוא די קטן, לכן נשתמש מטרה מעט גדול יותר). אם היעד הוא גדול, במקום ישירות מקבל נקודת להפיץ פונקציה, הוא יכול להשיג תפקיד קצה להתפשט. ואז על ידי לקיחת הנגזרת הראשונה של הפונקציה מקצה להפיץ, ניתן לקבל את הפונקציה הליין. לכן, זה לא הכרחי להשתמש נקודת יעד כדי לחשב את הרזולוציה 22.

3. הכנת בעלי חיים SLN הדמיה

< p class = "jove_conהאוהל "> הערה: מערכת ההדמייה כף יד הקליני שתוארו לעיל הודגם הדמיה חיים קטן SLN. לניסויים, 6 - ל 8-בת שבוע בריא, נקבה חולדות (Dawley NTac:Sprague, 220 ± 30 g) היו רכש. חולדות נקבות משמשים כי המופע של סרטן השד אצל חולדות זכרים בתדירות נמוכה יותר. עם זאת, חולדות זכר יכול לשמש גם עבור המחקרים. בנוסף, בספרות, חולדות נקבות נמצאים בשימוש נרחב יותר על ההדמיה SLN.

  1. חולדה ההרדמה
    1. לפני הדמיה, עזים ומתנגד העכברוש עם הפתרון הרדמה, אשר מכיל קוקטייל של קטאמין (100 מ"ג/מ"ל), חריגות השירותים הווטרינריים (20 מ"ג/מ"ל), תמיסת מלח להזרקה על שיעור של 2:1:1. הוספת 0.2 מ"ל של. הקוקטייל לכל 100 גרם של משקל בעלי חיים מזרק כירורגי סטרילי 1 מ"ל עם המחט (27 גרם, ½ אינץ ').
    2. עורפה בצוואר של העכברוש ביד ולחטא את המשולש הימני התחתון של הבטן עם ספוגית אלכוהול. להזריק הרדמה פתרון לתוך הגוף בבעלי חיים-
    3. להבטיח כי החיה היא מרדימים על-ידי בדיקת רפלקס על הבוהן קמצוץ.
  2. עבור SLN הדמיה, להסיר שיער מאזור עניין בעדינות עם קרם להסרת שיער זמינים מסחרית. השתמש ככל הנדרש כדי לכסות את האזור לחלוטין. הסר את השמנת עם מקלון צמר גפן רטוב אחרי 3-5 דקות של יישום. כדי למנוע את העיניים מפני יובש ונזקי לייזר בשוגג, להחיל משחה דמעות מלאכותיות.
  3. המקום כחול underpad על השולחן ומקם את החיה לצדדים על זה. לנהל שאיפת הרדמה דרך קונוס האף (0.75% איזופלוריין יחד עם חמצן (1.2 L/דקה)) כדי לשמור על החיה תחת הרדמה במהלך הניסויים. קליפ אוקסימטר ל הכפה האחוריות של העכברוש כדי לנטר את קצב הלב ואת רווית חמצן היקפיים במהלך הניסויים.
    הערה: ודא החיה חם באמצעות כרית החימום מאושר לשימוש בבעלי חיים-

4. אין ויוו SLN הדמיה של חולדות

  1. לפני הדמיה, החל 0.5-1 מ ל ג'ל ארה על העור בעזרת מזרק ולהפיץ אותו היטב באמצעות מוליך. מניחים פרוסה רקמת חזה עוף בעובי 0.5 ס מ של גודל 6 ס מ x 6 ס מ על האזור הדמיה ולהחיל עוד ג'ל ארה על הרקמה עוף לשיפור צימוד.
    הערה: ההגירה ממוקמים מתחת לעור (במרחק של 2-3 מ מ) בחולדות. בבני אדם, סוכנות ההגירה הם בעומק של 1 ס מ. לפיכך, עוף רקמות ממוקמת באזור הדמיה של עכברוש לחקות את התרחיש הדמיה אנושי. לחלופין, ניתן להשתמש רקמות מחקה פאנטום במקום עוף רקמות.
  2. מתג על הלייזר. המקום בעל המכשיר כף יד מעל העוף רקמות וסריקה it (העבר המחזיק מימין לשמאל) בשילוב מצב ארה"ב והרשות.
    הערה: האזור של קרן הלייזר היא כ 3 ס"מ 2 ואת הכשרון מחושבת להיות כ mJ/ס"מ 8 2, שהיא פחותה יותר ממגבלת הבטיחות האמריקאי הלאומי תקני מכון (ANSI) (20 mJ/cm 2) 35 . העומק הדמיה מוגדר על 2 ס מ במערכת ארה ב קליניים. כדאי ללבוש משקפי בטיחות בכל עת כאשר הלייזר פעילה.
  3. להגדיר את עומק הדמיה 2 ס מ עבור הרשות הפלסטינית הדמיה-
  4. לקבל תמונה שליטה של האזור של עניין, מעל הרגל הקדמית באזור בית החזה, על-ידי הזזת המכשיר כף יד מצד לצד לפני ההזרקה של הסוכן חדות.
    הערה: כל הנתונים נשמרים נתונים מעוצב-קרן הקלד עבור עיבוד נוסף-
  5. להזריק 0.2 מ"ל של ניגודיות סוכן, (דהיינו, מגה-בתים (10 mg/mL)) ב- forepaw של החיה, עיסוי זה טוב למשך 2 דקות להקל על חדות התנועה הסוכן בלוטות לימפה דרך כלי הלימפה.
  6. בדיקה
  7. הסריקה לאחר חמש דקות עם מעולות לאורך הרקמות עוף כדי לאתר את SLN בעזרתו של האות פא.
    הערה: בכל המסגרות נשמרים בסוג הנתונים מעוצב-קרן-
  8. לחץ על ' ההקפאה ' לחצן מהפקדים ארה ב המערכת ולחץ ' לייצא מסגרות שנבחרו ' לחצן מהצג מסך מגע כדי לייצא נתוני ההקלטות.
    הערה: ניתן לאחסן נתונים בתבניות שונות, כלומר, קרן שהוקמה סריקה המרה, ערוץ, קיו
  9. להוסיף 2 יותר שכבות של פרוסות רקמות עוף בעובי 0.5 ס מ מעל החיה אחד ולאתר את SLN כדי להדגים את הכדאיות של עומק הדמיה עד 1.5 ס מ.
  10. לאחר דימות, להסיר את כל הפרוסות רקמות עוף
  11. לכבות את הלייזר.

5. ספקטרוסקופיה SLN של הרשות הפלסטינית

  1. מניחים פרוסה רקמת חזה עוף בעובי 0.5 ס מ על החולדה.
  2. לקבוע את אורך הגל של הלייזר 670 nm באמצעות התוכנה-
  3. מתג על הלייזר. לסרוק עם המכשיר לאורך הרקמות חזה עוף על האזור כדי לאתר את SLN בעזרתו של האות פא.
  4. להחזיק את המכשיר יציב לאחר שזיהו את SLN.
  5. על לייזר כוונון התוכנה המצורפת, להזין את אורך הגל כ- 800 nm, התוכנה לייזר, הגדר את המהירות nm 10/s ולחץ ' התחלה ' לחצן.
    הערה: זה ישתנה אורך הגל של 670 nm 800 nm במהירות של nm 10/s. טווח אורך הגל שישתנו תלוי ספקטרום הבליעה של הסוכן ניגודיות בשימוש. MB יש פנייה חדה שיא סביב 670 nm.
  6. להבחין בשינוי אות הרשות הפלסטינית עם שינוי אורך גל-
  7. לכבות את הלייזר.
  8. להסיר את הפרוסה רקמות עוף.

6. בזמן אמת המחט מעקב באמצעות פאי

  1. המקום 0.5 ס מ עבה חזה עוף רקמות פרוסה על החיה. הגדר אורך הגל 675 nm.
  2. מתג על הלייזר. להזיז את החללית כדי לאתר ולזהות SLN על המסך בעזרת האות פא.
  3. מחט בזמן אמת מעקב
    1. להחדיר מחט 23 גרם, מידות 0.6 x 32 מ מ 2, במקביל רק דרך הרקמות עוף אל החיה כדי להגיע את SLN, בעת המנחה אותו בזמן אמת בצג המערכת קליניים בארה ב.
  4. לאחר ניסויים, כבה את הלייזר. להסיר את הרקמה עוף ו מתקפים oximeter מהחיה ולהעביר את החיה וסאם. לנקות את הג'ל אולטרסאונד על החולדה עם מגבונים כותנה-
  5. במקום החיה על מצעים שלה ולנטר אותה עד שזה יחזור להכרה.
  6. להחזיר את החיה לכלוב שלו אחרי ההתנהגות שלה תקין.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Figure 1
איור 1: תיאור מערכת. (א) ייצוג סכמטי של מערכת פאי עם מערכת כפולה בארה ב מודאלי קליניים. OPO - מתנד פרמטרית אופטי, של - צרור סיב אופטי, FH - מחזיק סיבים, USM - ארה ב קליניים מכונה. בעל סיבים משלבת את רק שני צרור סיב אופטי פלט. מכונת ההרדמה הספקת איזופלוריין וחמצן משמשת כדי לשמור על החיה תחת הרדמה במהלך הניסויים. (b) תצלום של סיבים אופטיים מתפצל לשניים. אני / P מציין את סוף קלט של סיבי ומציין O/P פלט שני הקצוות של הסיבים. (ג) תצלום של בעל סיבים עם שלושה חריצי, שניים על סיבים אופטיים ואחד עבור רק. (ד) תצלום של רק את, את הקצוות של קבוע בעל סיבים. (ה) רזולוציה צירית מאופיין בעומקים שונים שמחושבים לכל רוחב חצי מקסימום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

כדי לאפיין את הרזולוציה צירית, לרוחב של מערכת ההדמייה, שימש מחט של 0.6 מ"מ קוטר. האות פא לאורך לכיוון צירית, לרוחב להתוות, מצויד לפונקציה Gaussian הפצה. לכל רוחב חצי מקסימום מחושב בעומקים שונים של 1 ס מ, 1.5 ס מ, 2 ס מ, 2.5 ס מ ו- 3 ס מ. העלילה לפתרון צירית מוצג באיור 1e. הרזולוציה צירית מחושב להיות 207 מיקרומטר 45 ±. הרזולוציה לרוחב מוגבל על ידי גובה רכיב רק. באופן תיאורטי, הפתרון לרוחב הוא 300 מיקרומטר, אשר גודל רכיב רק. הרזולוציה הסופרפוזיציה מחושבת מתוך התמונה הרשות הפלסטינית רכשה של המחט היה 351 מיקרומטר.

מגה מזון, והתרופות האמריקני (FDA) אישר צבע עבור הדמיה SLN ומשמש באופן נרחב קלינית SLNB. לכן, MB שימש הדמיה לא פולשנית של SLN עם פאי בהרחבה. אורך הגל האופטימלי של 675 nm נקבע בהתבסס על ספקטרום אופטי מגבלות של לייזר tunability36. איור 2a מראה הצילום של האזור המגולח של העכברוש לדימות SLN. קו מקווקו אדום מציג את המטוס הדמיה המשוער עבור משולב ארה"ב והרשות הדמיה. כל משולב הרשות הפלסטינית וארצות הברית הדימויים המוצגים הם צילומי מסך שנלקחו צג המערכת הקלינית ארה ב. איור 2b מראה את התמונה ארה"ב והרשות משולב לפני הזרקה של מגה-בתים. זה יכול לציין כי אין שום אות אבא בתמונה. מארה ב, תמונות של בלוטות הלימפה ניתנת לזיהוי, אלא רק על ידי עין מקצועית הניגוד הוא עני מאוד. בנוסף, עם תמונות רגיל בארה ב, SLN לא יכול להיות מבודלים מהקבצים בלוטות הלימפה אחרים. איור 2 ג מראה את התמונה משולב של ארה"ב והרשות לאחר ההזרקה MB. מתמונה זו, SLN ניתן לזהות בקלות רבה בשל האות הרשות הפלסטינית חזק מ- MB SLN.

Figure 2
איור 2: זיהוי SLN. (א) תמונה של אזור ההדמיה מגולח של העכברוש עבור SLN הדמיה, קו מקווקו אדום מראה את המטוס משוער של B-scan בארה ב, כמו גם פאי; (b) בשילוב תמונה ארה"ב והרשות לפני הזרקת MB, (ג) בשילוב תמונה ארה"ב והרשות לאחר ההזרקה MB. סרגל קנה מידה על ציר X ו- Y מייצג באותו האורך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

ספקטרוסקופיה הרשות הפלסטינית בזמן אמת ניתן לעשות עם הרשות הפלסטינית קליניים מערכת הדמיה על ידי שינוי אורך הגל של הלייזר תוך הדמיה. MB יש ספיגה חד לשיא סביב 670 ננומטר. כך, על ידי שינוי אורך הגל של 670 nm 800 nm, הרשות הפלסטינית האיתות SLN יעלם לאט. איור 3 א -c מראה את SLN 670 nm, 700 nm, ו-800 ננומטר, בהתאמה.

Figure 3
איור 3: הרשות הפלסטינית בזמן אמת ספקטרוסקופיה. (א) SLN-670 nm, SLN (b) -700 nm, (ג) SLN ב 800 ננומטר. סרגל קנה מידה ב- X ועל ציר Y מייצג באותו האורך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

SLNs ממוקמים בדרך כלל בין 1-2 ס מ עומק משטח העור אצל בני אדם. בבעלי חיים קטנים, ניתן למצוא SLN מתחת לעור. לכן, כדי לחקות תרחיש הדמיה אנוש SLN, רקמת חזה עוף הונח על פני העור של העכברוש. בנוסף, כדי להדגים את עומק הדמיה, עובי רקמת השד עוף הוא גדל בשלבים של 0.5 ס מ עד 1.5 ס מ. עד 1.5 ס מ הדמיה עמוק נצפתה עם הכיוונון הנוכחי. העומק הדמיה יכולים להשתפר עוד יותר עם אנרגיית לייזר גבוהה יותר.

Figure 4
איור 4: הדרכה בזמן אמת המחט. (א) תמונה ארה ב מציג המחט הדרכה מסומן על ידי החץ הצהוב, (b) צילום מסך של בשילוב אותנו ואת הרשות הפלסטינית תמונת מראה הדרכה המחט SLN מלא MB. סרגל קנה מידה ב- X ועל ציר Y מייצג באותו האורך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

זיהוי לא פולשנית, יחד עם FNAB של SLN, תפחית סיבוכים הקשורים SLNB לניתוח. בדיקת אולטרה סאונד היא הטכניקה הנפוצה ביותר להדרכה המחט עד עכשיו37. אבל, החדות של ארה ב הוא עני מאוד לדמיין המחט הדרכה בתוך הרקמה. פולשני, הדרכה בזמן אמת המחט לביופסיה של SLN עם פאי מוצגים כאן. איור 4a מראה את התמונה של הנחיית המחט על ידי ארה ב הדמיה רק לתוך SLN. זה ברור כי הניגוד שסופקו על-ידי ארה ב. זה לא טוב, זקוק עין מקצועית כדי לעקוב אחר להנחות את המחט כראוי. איור 4b מראה התמונה ארה"ב והרשות משולב של המחט הדרכה ויוו. עם הרשות הפלסטינית הדמיה, הניגוד המתקבל המחט הוא גבוה מאוד, ניתן בקלות לנטר ולעקוב אחר ויוו. S1 הסרט מציג הוידאו של הרשות הפלסטינית הדמיה עבור המחט בתוך vivo מעקב. ברגע שהמחט מגיע את SLN, ניתן לקחת חלק קטן של הרקמה SLN לבדיקה היסטולוגית נוסף.

S1 הסרט:Please לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

כיום העלות של ההקרנה, אבחון וטיפול של סרטן הוא גבוה מאוד. יש שונות הדמיה שיטות אשר משמשות עבור הקרנת סרטן ואבחון. אולם, רבים של טכניקות הדמיה אלה יש מגבלות כולל גודל המכונה מגושם, אבחון פולשני, unfriendliness חולים, יקר מדי, הדרישה של קרינה מייננת, או השימוש סוכנים בניגוד רדיואקטיבי. לכן, מערכת לדימות יעיל, חסכוני, בזמן אמת ומדריכה דרוש הרבה. הדמיה ארה"ב והרשות משולב היא טכניקה יכול לשמש עבור סינון יעיל, לא פולשנית, אבחון הזמני של סרטן. הרשות הפלסטינית קליניים הדמיה ניתן לבצע יותר ריאלי עם ה-FDA אישר סוכנים בניגוד כגון MB. כמו הרשות הדמיה הוא הליך פולשני, זה מבטל את הסיבוכים הקשורים לניתוח SLNB.

ישנם כמה אתגרים שדורשים תשומת לב לפני פאי קליניים הופך להיות מוצלח. קודם כל, הגודל של הלייזר המשמש פאי צריך להתבצע קומפקטי יותר. הם גדולים, כבדים, ולעיתים קרובות דורשים טבלת אופטי עבורם. הם גם רגישים לשינויים קטנים מאוד במערך, ומכאן לא נייד לשימוש קליני. לייזרים דיודות קטן תשואה כוח נמוך מאוד בהשוואה לייזרים OPO מגושם, הם לעתים קרובות אינם tunable. לאחרונה, לייזרים OPO נייד נעשו זמינים. זה במידה רבה ניתן לפתור את הבעיה של ניידות. שנית, השילוב של משלוח קלות עם המכשיר בארה עם אור גבוהה צימוד יעילות הוא משימה מאתגרת. לייזרים דיודות קטן משולבים בתוך רק עצמו. עם זאת, הכוח הוא נמוך בהרבה, דורש מותאמות אישית שנעשו שינויים ב- USTs מה שהופך אותה אפילו יותר יקר38. צימוד חיצוני יעיל של אור ושל UST שצריך להיעשות. שלישית, הזמינות של מסחרי קליניים בארה ב הדמיה מערכת עבור פאי גישה לנתוני ערוץ raw ו USTs תואם עבור רכישת נתונים. לאחרונה, מערכות כאלה הופכים להיות זמינים מסחרית.

אתגרים קלים נוספים הם כדי להגביר את קצב המסגרת הדמיה יעיל. זה כרגע מוגבל על ידי חזרה הדופק לייזר. לייזרים OPO רוב יש דופק חזרה שיעור של עד 200 Hz-Pulsed דיודות לייזר יש שיעור חזרה הדופק גבוה יותר של כמה קילו-הרץ. השימוש של לייזרים אלה יסייעו בשיפור המסגרת הדמיה לדרג באופן משמעותי34. גם, הזמינות של סוכנים בניגוד ה-FDA אישר מעט מאוד (כמו MB) הוא הגבלה נוספת על פאי קליניים. מחקרים רבים מתבצעת תוך מציאת ובדיקות סוכנים בניגוד שונים עבור פאי. היבטים אחרים קטין גם צריך לקחת בחשבון בעת ביצוע כף יד הרשות הדמיה. כפי שאנו משתמשים בדיקה כף יד על החיה, יהיו כמה שגיאות חיישן תנועה של הידיים תוך כדי טיפול למחזיק. יש לקחת ש"צריך למזער שגיאה זו. גם, תוך כדי הצגת מחט בזמן אמת מעקב, מיקום המחט בדיוק בתוך מטוס למרכז רק הוא חיוני מאוד לקבל את האות פא המרבי של המחט ולעקוב אחר זה בהצלחה. על ידי התגברות על כל האתגרים הללו, פאי יכולה להיות כלי הדמיה קלינית מעשית ליישומים נפוצים (האברונים לאיברים) כולל הדמיה של כלי הדם במוח להערכת, גידולים, SLN, שלפוחית השתן, תאים סרטניים במחזור.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים יש אין אינטרסים כלכליים הרלוונטיים בכתב היד, אין אחרים פוטנציאל ניגודי עניינים לחשוף.

Acknowledgments

המחברים, הייתי רוצה לקבל סיוע כספי מן המענק Tier 1 מחקר ממומן על ידי משרד החינוך של סינגפור (RG48/16: M4011617) וגראנט Tier 2 מחקר ממומן על ידי משרד החינוך של סינגפור (ARC2/15: M4020238). המחברים רוצה להכיר את ד ר Rhonnie אוסטריה Dienzo לעזרה שלו לטיפול בבעלי חיים.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Yun, S. H., Kwok, S. J. Light in diagnosis, therapy and surgery. Nat. Biomed. Eng. 1, 0008 (2017).
  2. Tseng, J., et al. Clinical accuracy of preoperative breast MRI for breast cancer. J. Surg. Oncol. (2017).
  3. Baran, P., et al. Optimization of propagation-based x-ray phase-contrast tomography for breast cancer imaging. Phys. Med. Biol. 62, (6), 2315 (2017).
  4. 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).
  5. Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. J. Biomed. Opt. 22, (4), 041006 (2017).
  6. Wang, L. V., Yao, J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nat. Methods. 13, (8), 627-638 (2016).
  7. Wang, L. V., Gao, L. Photoacoustic microscopy and computed tomography: from bench to bedside. Annu Rev Biomed Eng. 16, 155-185 (2014).
  8. Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1, (4), 602-631 (2011).
  9. Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic tomography: fundamentals, advances and prospects. Contrast Media Mol Imaging. 6, (5), 332-345 (2011).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335, (6075), 1458-1462 (2012).
  14. Pan, D., et al. Molecular photoacoustic imaging of angiogenesis with integrin-targeted gold nanobeacons. FASEB J. 25, (3), 875-882 (2011).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Sci. Rep. 6, 35137 (2016).
  23. 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).
  24. Krag, D., et al. The sentinel node in breast cancer - a multicenter validation study. N. Engl. J. Med. 339, (14), 941-946 (1998).
  25. Borgstein, P. J., Meijer, S., Pijpers, R. Intradermal blue dye to identify sentinel lymphnode in breast cancer. The Lancet. 349, (9066), 1668-1669 (1997).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Kim, C., et al. Handheld array-based photoacoustic probe for guiding needle biopsy of sentinel lymph nodes. J. Biomed. Opt. 15, (4), 046010 (2010).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Pan, D., et al. Near infrared photoacoustic detection of sentinel lymph nodes with gold nanobeacons. Biomaterials. 31, (14), 4088-4093 (2010).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. NY. (2007).
  36. Prahl, S. Tabulated molar extinction coefficient for methylene blue in water. Available from: http://omlc.ogi.edu/spectra/mb/mb-water.html (2016).
  37. Chapman, G. A., Johnson, D., Bodenham, A. R. Visualisation of needle position using ultrasonography. Anaesthesia. 61, (2), 148-158 (2006).
  38. 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).
כף יד Photoacoustic קליניים מערכת הדמיה עבור בזמן אמת לא פולשנית הדמיה בעלי חיים קטנים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter