Handhållna kliniska Photoacoustic Imaging System för realtid noninvasiv små djur Imaging
Summary
En klinisk handhållna photoacoustic imaging system kommer att demonstreras för realtid noninvasiv små djur avbildning.
Abstract
Översättning av photoacoustic imaging till kliniken är en stor utmaning. Handhållen realtid kliniska photoacoustic bildsystem är mycket sällsynta. Vi rapporterar här, en kombinerad photoacoustic och kliniska ultraljud imaging system genom att integrera en ultraljudssond med ljus leverans för små djur avbildning. Vi visar detta genom visar sentinel lymfkörtel imaging i små djur tillsammans med minimalinvasiv realtid nål vägledning. En klinisk ultraljud plattform med tillgång till raw channel data tillåter integration av photoacoustic imaging leder till en handhållen realtid kliniska photoacoustic imaging system. Metylenblått användes för sentinel lymfkörtel imaging 675 nm våglängd. Dessutom visades nål vägledning med dubbla modala ultraljud och photoacoustic imaging använder imaging system. Djup avbildning av upp till 1,5 cm visades med 10 Hz laser på en photoacoustic imaging bildfrekvens på upp till 5 bilder per sekund.
Introduction
För att upptäcka och stadieindelning av cancer finns olika avbildningstekniker. Några av de utbredda avbildningsmetoder är magnetisk resonanstomografi (MRT), röntgen datortomografi (CT), röntgen, ultraljud (oss), positronemissionstomografi (PET), fluorescens imaging, etc.1,2, 3 , 4. men, några av de befintliga imaging teknikerna är antingen invasiv, har skadlig strålning eller är långsamma, dyra, skrymmande eller ovänliga till patienter. Således finns det ett konstant behov av att utveckla nya, snabba och kostnadseffektiva avbildningstekniker för diagnostik och terapi5.
Photoacoustic imaging (PAI) är en framväxande imaging teknik, som kombinerar rik optiska kontrast ultraljud med hög upplösning på en djupare imaging djup5,6,7,8, 9. I PAI används en kort laserpuls för vävnad bestrålning. Ljuset blir absorberas av vävnaden vilket leder till en liten temperaturstegring. Följd av termoelastisk expansion genereras tryckvågorna (i form av Akustiskt vinkar) inom vävnaden. Det genererade akustiska vinkar (även känd som photoacoustic (PA) vågor) förvärvas med en wideband ultraljud givare (UST) utanför gränsen som vävnad. Dessa förvärvade PA signaler kan användas för att rekonstruera PA bilder, avslöjar den strukturella och funktionella informationen inuti vävnaden. PAI har ett brett spektrum av applikationer, inklusive: blodkärl imaging, sentinel lymfkörtel imaging, vaskulatur hjärnavbildning, tumör imaging, molekylär imaging, etc.10,11,12, 13,14,15 PAI har många tillämpningar på grund av dess fördelar, nämligen: djupare genomträngningsdjupet, bra rumslig upplösning och hög mjukvävnad kontrast. Kontrasten i PAI kan vara endogena från blod, melanin, etc. När endogena kontrasten inte är tillräckligt stark, som exogena kontrastmedel organiska färgämnen, nanopartiklar, kvantprickar, etc.16,17,18,19, 20 , 21 kan användas för att förbättra kontrasten.
Även om PAI har många fördelar i förhållande till andra avbildningstekniker, är kliniska översättning fortfarande en mycket stor utmaning. De viktigaste begränsningarna är skrymmande beskaffenhet lasrar som används, de flesta av de låter som används för datainsamling är inte kompatibla med klinisk US system och icke-tillgängligheten av kommersiellt tillgängliga kliniska US bildsystem som ger tillgång till raw channel data. Kommersiella kliniska amerikanska maskiner med tillgång till rådata har nyligen blivit tillgängliga22. I detta arbete vill vi demonstrera genomförbarheten av PAI med en handhållen set-up med en klinisk US-plattform. Vi syftar till att visa detta genom att visa icke-invasiv avbildning av sentinel lymfkörtlar (SLNs) i en liten djurmodell.
Invasiv bröstcancer tumörer är en av de ledande orsakerna till dödsfall i cancer bland kvinnor. Diagnostisera och Förproduktion bröstcancer tidigt är avgörande för att bestämma behandlingsstrategier, som spelar en viktig roll i prognosen för patienten. För bröstcancer används cancer mellanlagringsplatsen sentinel lymfkörteln biopsier (SLNB) är oftast23,24. SLN är den primära lymfkörteln där möjligheten att hitta cancerceller är högst på grund av metastaser. SLNBs involvera injicera ett färgämne eller ett radioaktivt spårämne, följt av styckning öppna området med ett litet snitt och sedan hitta SLN visuellt vid färgämnen eller med hjälp av en geigermätare, vid ett radioaktivt spårämne. Efter identifiering, några SLN tas bort för histopatologiska studier24,25. Positiv SLNB indikerar att tumören har spridit till närliggande lymfkörtlar och kanske till andra organ. Negativa SLNB visar att sannolikheten för metastaser är försumbar26. SLNB har många komplikationer i samband med det som arm domningar, lymfödem, etc.27 att eliminera SLNB associerade komplikationer, en icke-invasiv bildteknik behövs.
För SLN mappning i små djur och människor, har PA imaging undersökts i stor utsträckning med hjälp av olika kontrast agenter15,28,29,30,31 , 32. men de system som används för närvarande kan inte användas i kliniska scenario som påpekade tidigare. Ett annat bekymmer tas upp är det kirurgiska ingreppet som är inblandade i SLNB28. Anpassa minimalt invasiva ingrepp för fin nål aspiration biopsi behövdes (FNAB) för att minska återhämtningstiden och biverkningar av patienterna. I detta arbete, en klinisk US-system användes för kombinerade USA och PA imaging användes. För enkel användning i kliniska inställningar, en anpassad gjort handhållna hållare för bostäder optisk fiber och UST utformades. Metylenblått (MB) användes för att identifiera och kartlägga SLNs. Dessutom för att eliminera komplikationer i samband med SLNB operationen, icke-invasiv realtid nål spårning demonstreras också.
Protocol
Representative Results
Discussion
För närvarande är kostnaden för screening, diagnos och behandling av cancer mycket hög. Det finns olika imaging metoder som används för cancerscreening och diagnos. Många av dessa bildgivande tekniker har dock begränsningar inklusive skrymmande maskinstorlek, invasiv diagnostik, ovänlighet patienter, för dyrt, kravet på joniserande strålning, eller användning av radioaktivt kontrastmedel. Därför är en effektiv, kostnadseffektiv, realtid imaging och vägledande system välbehövligt. Kombinerade USA och P…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill erkänna det ekonomiska stödet från den Tier 1-forskningsbidrag som finansieras av undervisningsministeriet i Singapore (RG48/16: M4011617) och Tier 2 forskningsbidrag finansieras av undervisningsministeriet i Singapore (ARC2/15: M4020238). Författarna vill erkänna Dr Rhonnie Österrike Dienzo för hans hjälp med djurhantering.
Materials
| Q-switched Nd:YAG laser | Continuum | Surelite | Pump laser |
| Optical parametric oscillator | Continuum | OPO laser | |
| Clinical ultrasound imaging system | Alpinion | E-CUBE 12R | Dual modal ultrasound and photoacoustic imaging system |
| Linear array ultrasound transducer | Alpinion | L3-12 | 128 element linear array transducer with centre frequency of 8.5 MHz, fractional bandwidth of 95%, |
| Bifurcated optical fiber | CeramOptec | Custom made | To couple the light from the laser to the handheld fiber holder |
| Lens | Thorlabs | LB1869 | Focus light from the laser to the optical fiber |
| Ultrasound gel | Progress/parker acquasonic gel | PA-GEL-CLEA-5000 | Acoustic coupling |
| Image Processing software | Mathworks | Matlab | Home made program using Matlab |
| Anesthetic Machine | medical plus pte ltd | Non-Rebreathing Anaesthesia machine with oxygen concentrator. | Supplies oxygen and isoflurane to animal |
| Pulse Oxymeter portable | Medtronic | PM10N with veterinary sensor | Monitors the pulse oxymetry of the animal |
| Animal distributor | In Vivos Pte Ltd, Singapore | Animal distributor that supplies small animals for research purpose. | |
| Breathing mask | Custom made | Used along with animal holder to supply anesthesia mixture to the animal | |
| chicken breast tissue | Pasar | Used to add depth to mimic human imaging scenario | |
| 23G needle | BD Precisionglide | 23G,1 and half inch | Used for realtime needle guidance |
| Holder for the fiber optic cable | Custom made | To hold the input end of the bifurcated cable | |
| Handheld probe | Custom made 3D printed | With two slots for the two output ends of the optical fiber and one slot for the ultrasound transducer | |
| Methylene blue (10 mg/mL) | Sterop | Contrast agent for PA imaging | |
| Laser tuning software | Surelite OPO PLUS | SLOPO | Software to tune the wavelength of OPO laser |
| Photodiode | Thorlabs | SP05/M | To detect the laser pulse to trigger the ultrasound system |
| Photodiode bias module | Thorlabs | PBM42 | To amplify the photodiode signal to tigger ultrasound signal |
| Depilatory cream | Reckitt Benckiser | Veet | Used to remove hair from the imaging area |
| Laser power meter | Ophir | Starlite, p/n: 7Z01565 | Used to measure the laser power |
References
- Yun, S. H., Kwok, S. J. Light in diagnosis, therapy and surgery. Nat. Biomed. Eng. 1, 0008 (2017).
- Tseng, J., et al. Clinical accuracy of preoperative breast MRI for breast cancer. J. Surg. Oncol. , (2017).
- Baran, P., et al. Optimization of propagation-based x-ray phase-contrast tomography for breast cancer imaging. Phys. Med. Biol. 62 (6), 2315 (2017).
- Huzarski, T., et al. Screening with magnetic resonance imaging, mammography and ultrasound in women at average and intermediate risk of breast cancer. Hered. Cancer Clin. Pract. 15 (1), 4 (2017).
- Upputuri, P. K., Pramanik, M. Recent advances toward preclinical and clinical translation of photoacoustic tomography: a review. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041006 (2017).
- Wang, L. V., Yao, J. A practical guide to photoacoustic tomography in the life sciences. Nat. Methods. 13 (8), 627-638 (2016).
- Wang, L. V., Gao, L. Photoacoustic microscopy and computed tomography: from bench to bedside. Annu Rev Biomed Eng. 16, 155-185 (2014).
- Beard, P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus. 1 (4), 602-631 (2011).
- Yao, J., Wang, L. V. Photoacoustic tomography: fundamentals, advances and prospects. Contrast Media Mol Imaging. 6 (5), 332-345 (2011).
- Hai, P., et al. Label-free high-throughput detection and quantification of circulating melanoma tumor cell clusters by linear-array-based photoacoustic tomography. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041004 (2017).
- Upputuri, P. K., Kalva, S. K., Moothanchery, M., Pramanik, M. Pulsed laser diode photoacoustic tomography (PLD-PAT) system for fast in vivo imaging of small animal brain. Proc Spie. , (2017).
- Fakhrejahani, E., et al. Clinical report on the first prototype of a photoacoustic tomography system with dual illumination for breast cancer imaging. PLoS One. 10 (10), e0139113 (2015).
- Wang, L. V., Hu, S. Photoacoustic Tomography: In Vivo Imaging from Organelles to Organs. Science. 335 (6075), 1458-1462 (2012).
- Pan, D., et al. Molecular photoacoustic imaging of angiogenesis with integrin-targeted gold nanobeacons. FASEB J. 25 (3), 875-882 (2011).
- Erpelding, T. N., et al. Sentinel Lymph Nodes in the Rat : Noninvasive Photoacoustic and US imaging with a clinical US system. Radiology. 256 (1), 102-110 (2010).
- Gawale, Y., et al. Carbazole-Linked Near-Infrared Aza-BODIPY Dyes as Triplet Sensitizers and Photoacoustic Contrast Agents for Deep-Tissue Imaging. Chem. Eur. J. 23 (27), 6570-6578 (2017).
- Sivasubramanian, K., et al. Near Infrared light-responsive liposomal contrast agent for photoacoustic imaging and drug release applications. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041007 (2017).
- Huang, S., Upputuri, P. K., Liu, H., Pramanik, M., Wang, M. A dual-functional benzobisthiadiazole derivative as an effective theranostic agent for near-infrared photoacoustic imaging and photothermal therapy. J. Mater. Chem. B. 4 (9), 1696-1703 (2016).
- Huang, S., Kannadorai, R. K., Chen, Y., Liu, Q., Wang, M. A narrow-bandgap benzobisthiadiazole derivative with high near-infrared photothermal conversion efficiency and robust photostability for cancer therapy. Chem. Comm. 51 (20), 4223-4226 (2015).
- Wu, D., Huang, L., Jiang, M. S., Jiang, H. Contrast Agents for Photoacoustic and Thermoacoustic Imaging: A Review. Int. J. Mol. Sci. 15 (12), 23616-23639 (2014).
- Pramanik, M., Swierczewska, M., Green, D., Sitharaman, B., Wang, L. V. Single-walled carbon nanotubes as a multimodal-thermoacoustic and photoacoustic-contrast agent. J. Biomed. Opt. 14 (3), 034018 (2009).
- Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Sci. Rep. 6, 35137 (2016).
- McMasters, K. M., et al. Sentinel lymph node biopsy for breast cancer: a suitable alternative to routine axillary dissection in multi-institutional practice when optimal technique is used. J. Clin. Oncol. 18 (13), 2560-2566 (2000).
- Krag, D., et al. The sentinel node in breast cancer – a multicenter validation study. N. Engl. J. Med. 339 (14), 941-946 (1998).
- Borgstein, P. J., Meijer, S., Pijpers, R. Intradermal blue dye to identify sentinel lymphnode in breast cancer. The Lancet. 349 (9066), 1668-1669 (1997).
- Ung, O. A., South, N., Breast, W., Hospital, W. Australasian Experience and Trials in Sentinel Lymph Node Biopsy: The RACS SNAC Trial. Asian J. Surg. 27 (4), 284-290 (2004).
- Purushotham, A. D., et al. Morbidity after sentinel lymph node biopsy in primary breast cancer: results from a randomized controlled trial. J. Clin. Oncol. 23 (19), 4312-4321 (2005).
- Kim, C., et al. Handheld array-based photoacoustic probe for guiding needle biopsy of sentinel lymph nodes. J. Biomed. Opt. 15 (4), 046010 (2010).
- Garcia-Uribe, A., et al. Dual-Modality Photoacoustic and Ultrasound Imaging System for Noninvasive Sentinel Lymph Node Detection in Patients with Breast Cancer. Sci. Rep. 5, 15748 (2015).
- Kim, C., Song, K. H., Gao, F., Wang, L. V. Sentinel Lymph Nodes and Lymphatic Vessels: Noninvasive Dual-Modality in Vivo Mapping by Using Indocyanine Green in Rats-Volumetric Spectroscopic Photoacoustic Imaging and Planar Fluorescence Imaging. Radiology. 255 (2), 442-450 (2010).
- Pan, D., et al. Near infrared photoacoustic detection of sentinel lymph nodes with gold nanobeacons. Biomaterials. 31 (14), 4088-4093 (2010).
- Song, K. H., Kim, C., Cobley, C. M., Xia, Y., Wang, L. V. Near-infrared gold nanocages as a new class of tracers for photoacoustic sentinel lymph node mapping on a rat model. Nano Lett. 9 (1), 183-188 (2009).
- Sivasubramanian, K., Periyasamy, V., Wen, K. K., Pramanik, M. Optimizing light delivery through fiber bundle in photoacoustic imaging with clinical ultrasound system: Monte Carlo simulation and experimental validation. J. Biomed. Opt. 22 (4), 041008 (2017).
- Sivasubramanian, K., Pramanik, M. High frame rate photoacoustic imaging at 7000 frames per second using clinical ultrasound system. Biomed. Opt. Express. 7 (2), 312-323 (2016).
- Laser Institute of America. American National Standard for Safe Use of Lasers. ANSI Standard Z136.1-2007. , (2007).
- Chapman, G. A., Johnson, D., Bodenham, A. R. Visualisation of needle position using ultrasonography. Anaesthesia. 61 (2), 148-158 (2006).
- Daoudi, K., et al. Handheld probe integrating laser diode and ultrasound transducer array for ultrasound/photoacoustic dual modality imaging. Opt. Express. 22 (21), 26365-26374 (2014).
