Krooninen sairaus

tiivistelmä

On edelleen merkittävää kliinistä tarvitaan nopeaa ja luotettavaa intraoperative marginaalin arvioinnin aikana syöpä leikkaus. Tässä kuvaamme kannettava, kvantitatiivinen, valokuitu anturi-pohjainen, spektroskooppinen kudos skanneri on suunniteltu intraoperatiiviselle diagnostisen kuvantamisen kirurgisten marginaalit, jota testataan proof of concept tutkimuksessa ihmisen kudosta rintasyövän diagnoosia. Kudos Skanneri yhdistyvät sekä diffuusiheijastuksen spektroskopia (DRS) ja luontainen fluoresenssispekroskopian (IFS), ja on hyperspektraalisen kuvantaminen valmiudet, hankkimalla koko DRS ja IFS spektrit kullekin skannatun kuvan pikselin. Mallintaminen DRS ja IFS spektrit saadaan määrällisten muuttujien jotka heijastavat aineenvaihdunnan, biokemiallinen ja morfologiset tila kudosta, jotka käännetään taudin diagnosointiin. Kudos skanneri on suuri spatiaalinen resoluutio (0,25 mm) laajalla näkökentän (10 cm x 10 cm), ja sekä korkean spektrin resoluutio (2 nm) ja korkea spektrin sijaan helposti erottamaan kudoksia suuresti vaihtelevat optiset ominaisuudet (luu, luurankolihasten, rasva ja sidekudos). Tissue-simuloidaan phantom kokeet vahvistavat, että kudos skanneri voi kvantitatiivisesti mitata spektraaliparametreja, kuten hemoglobiinin, fysiologisesti relevantti alue suurella tarkkuudella ( 5% virhe). Lopuksi -tutkimukset ihmisen rintakudosten osoitti, että kudos skanneri voi havaita pieniä pesäkkeitä rintasyöpään taustalla normaalin rintakudoksen. Tämä kudos skanneri on yksinkertaisempi suunnittelu, kuvien suurempi näkökenttä suurempi tarkkuus ja tarjoaa fyysisesti mielekäs kudoksen diagnoosi kuin muut spektroskooppinen kuvantamisen nykyisin raportoitu kirjallisuudessa. Uskomme, että tämä spektroskooppinen kudos skanneri voi tarjota reaaliaikaista, kattava diagnostisen kuvantamisen kirurgisten marginaalit leikataan kudoksissa, voittaminen näytteenotto rajoitus nykyisessä histopatologian marginaali arviointi. Sellaisena se on merkittävä askel kehitettäessä teknologiayhteisön intraoperatiiviselle hallintaan syöpä, kliininen ongelma, joka on puutteellisesti tasalla.

Citation: Lue N, Kang JW, Yu CC, Barman I , Dingari NC, Feld MS, et al. (2012) Portable valokuitu Probe-Based Spektroskooppiset Scanner Rapid Cancer Diagnoosi: uusi työkalu Intraoperative Margin Assessment. PLoS ONE 7 (1): e30887. doi: 10,1371 /journal.pone.0030887

Editor: Tarl Wayne Prow, University of Queensland, Australia

vastaanotettu: 1. syyskuuta 2011; Hyväksytty: 22 joulukuu 2011; Julkaistu: 27 tammikuu 2012

Copyright: © 2012 Lue et al. Tämä on avoin pääsy artikkeli jaettu ehdoilla Creative Commons Nimeä lisenssi, joka sallii rajoittamattoman käytön, jakelun ja lisääntymiselle millä tahansa välineellä edellyttäen, että alkuperäinen kirjoittaja ja lähde hyvitetään.

Rahoitus: Tämä tutkimus tukivat National Institutes of Health National Center for Research Resources (P41-RR02594 ja S10-RR031845) ja National Cancer Institute (R01-CA97966 ja R01-CA140288) ja kudoksen, histologia ja immunohistokemia Core Facility Case Comprehensive Cancer Center (P30 CA43703). Rahoittajat ollut mitään roolia tutkimuksen suunnittelu, tiedonkeruu ja analyysi, päätös julkaista tai valmistelua käsikirjoituksen.

Kilpailevat edut: Kirjoittajat ovat ilmoittaneet, etteivät ole kilpailevia intressejä ole.

Johdanto

Nopea ja luotettava intraoperative kudos diagnoosi on kriittinen osa onnistunutta syövän leikkaus eri elinjärjestelmien. Silti edelleen olemassa merkittävää kliinistä tarvitaan nopeaa ja luotettavaa intraoperatiivinen marginaali arviointi leikattiin kirurgisista näytteistä. Tällä hetkellä intraoperative marginaali arviointi tehdään silmämääräinen tarkastus ja tunnustelu, jota seuraa selektiivinen arviointi epäilyttävää alueiden nopea histologia tai sytologia arviointi, joka voi olla aikaa vievää ja epätarkkoja johtuen vähäisestä näytteenottoa. Ei ole epätavallista, että tuloksena patologisen marginaalin arvioinnin tulemaan leikkauksen jälkeen haava suljetaan ja potilas siirretään heräämössä. Lisäksi on usein eroja valikoiva intraoperative ja kattavampi postoperatiivinen patologian marginaali arviointi, jotka edellyttävät reoperation saavuttaa negatiivisia marginaaleja. Rinta–säästävä leikkaus, esimerkiksi uudelleen operaation positiivisten marginaalien löydettiin leikkauksen jälkeen tarvitaan jopa 50% tapauksista [1]. Lisäksi rintasyöpä toistuu paikallisesti kirurginen sängyssä ~ 10%: lla potilaista Negatiivisia marginaaleja postopratiivisena patologian marginaali arviointi [2], jossa, kun taas laajempi kuin intraoperatiivisessa patologian arviointi on edelleen näytteitä rajoituksia. Intraoperatiivinen arviointi kirurgisten marginaaleja on siis tärkeä askel kirurginen hoito syövän, joka on puutteellisesti tasalla. Haasteena käsiteltäessä tähän tarpeeseen on kehittää kuvantamisjärjestelmä, jossa on riittävän laaja näkökenttä kuvan suuri kirurgisista näytteistä riittävän suurella päätöslauselman havaita pieniä pesäkkeitä syöpään kirurgisen marginaali kliinisesti hyödyllinen ajassa.

Valokuitu koetin-pohjainen diffuusiheijastuksen spektroskopia (DRS) ja luontainen fluoresenssispekroskopian (IFS) ovat aktiivisesti välineinä reaaliaikaisen syöpädiagnoosi [3], ja on etuja muihin lähestymistapoja intraoperative ja kattava arvio kirurgisen marginaalien . DRS ja IFS riippuvat luontaisia ​​optisia ominaisuuksia kudosten ja sellaisena ne eivät vaadi eksogeenistä kuvantamisen koettimia tai varjoaineiden. Yhdistelmä DRS ja IFS tarjoaa tietoa aineenvaihdunnan, biokemiallinen ja morfologiset tila kudosta, jota voidaan kääntää taudin diagnosointiin. DRS ja IFS on suhteellisen matala (≤1 mm) kudospenetraatio, ja siten kuulustella vain marginaali leikatusta kudosnäytteestä. Toisin kuin perinteiset patologian diagnoosi, spektroskooppiset diagnoosi voidaan suorittaa reaaliajassa. Spektroskopian menetelmiä ovat myös määrällisiä ja siksi enemmän tavoite kuin perinteinen lähestymistapa, johon sovelletaan patologi tulkinta. Kuitenkin tavanomainen optinen kuitu anturi-pohjainen spektroskopiatekniikoilla vain tutkia pienen alueen kudoksen (~ 1 mm) kerrallaan, ja niin voi kärsiä alle näytteenotto- ja helposti menetä vaurion kiinnostava. Spektroskooppiset kuvantamismenetelmät [4] – [9] voidaan tutkia koko marginaali leikatusta kudosnäytteestä, ja niin eivät ole alttiita näytteenotto rajoituksiin perinteisessä patologian tutkimus.

Tässä esittelemme kannettava, kvantitatiivinen, valokuitu anturi-pohjainen, spektroskooppinen kudos skanneri, joka voi tarjota reaaliaikaista kattavaa arviointia kirurgisten marginaalien poistetun kudosnäytteet. Skanneri merkittävästi edistää meidän valokuitu anturi-pohjainen spektroskopia välineitä [10], [11], joka on onnistuneesti käytetty kliinisissä tutkimuksissa diagnoosin suun, ruokatorven, kohdunkaulan ja rintasyövän [12] – [15], joka laajalla alalla, korkearesoluutioisia kuvantaminen järjestelmää tarpeen tehokkaaksi kliininen väline intraoperatiiviselle marginaalin arvioinnin syöpä. Tämä kudos skanneri on yksinkertaisempi suunnittelu, kuvien suurempi näkökenttä suurempi tarkkuus ja tarjoaa fyysisesti mielekäs kudoksen diagnoosi kuin muut spektroskooppiset marginaali kuvantamisjärjestelmät parhaillaan kehitteillä. Kaiken kudos skanneri voi tarjota nopea, tarkka, röntgenkuvia koko marginaali leikattiin kirurgisista näytteistä, voittaminen näytteenotto rajoitus nykyisessä patologian marginaali arviointi. Uskomme kudos skanneri on alusta teknologia, joka on potentiaalia antaa reaaliaikaisen, kattava, intraoperatiivinen arviointi kirurginen marginaalien joka mahdollistaa täydellisempiä resektio sairaan kudoksen ja säilyvyyden parantaminen normaalin kudoksen kirurgian rintasyövän ja muiden kiinteiden kasvainten .

Materiaalit ja menetelmät

instrumentointi

kannettava kudos skanneri rakennettiin jotka voivat skannata suuria kudosnäytteiden (enintään 20 cm x 20 cm) suurella resoluutiolla (0,25 mm ) kliinisesti hyväksyttävän ajassa (alle 20 minuuttia 8 cm x 8 cm: n alueelle ja 0,25 mm: n resoluutiolla). Kuvio 1 esittää kaavion ja valokuvia kudoksen skanneri. Skanneri työllistää yhtenäinen multimodaaliset valokuitu antureista, että olemme menestyksellisesti multimodaalisen kliinisessä spektroskopia järjestelmä [10] kohta spektroskopia mittauksiin. Kaksi optista kuitua koettimia käytetään, toinen DRS ja toinen IFS, kiinteällä erottaminen 0,75 cm minimoida rajat puhua kahden antureista. Jokainen anturi koostuu kuitukimpun yhdellä keskeinen kuitu, joka tuottaa heräte valoa kudokseen, ympäröi rengas useita kuituja, jotka keräävät heijastunut ja loisteputki palaavat näytteestä ja toimittaa sen spektrografia (kaikki kuidut on 200 pm core ja NA = 0,22), joka on päätetty läpinäkyvä, suojaava optinen kilpi. Tässä tutkimuksessa vain yksi kokoelma kuituja käytettiin kunkin koettimen. 75-W Xenon kaarilamppu (Oriel Instrument, USA) käytetään tuottamaan magnetointi valoa DRS ja 7 mW Q-kytkin solid state-laser 355 nm (SNV-40F-000, Teem Photonics) generoimaan heräte valoa IFS. Tämä aallonpituus valittiin perustuen edellisen IFS tutkimuksissa rintasyövän [15]. Kuitenkin, tämä on teknologia-alusta, joka voidaan helposti käyttää muiden viritysaallonpituuksia muihin diagnostisiin sovelluksiin. Signaalit kerätään pienoiskoossa spectrometers (USB2000 +, Ocean Optics). Spektrometreissä on spektriresoluutiolla 2 nm koko leveydeltään puolet maksimi (FWHM). Laaja alue kuvantamisen valmiudet saavutetaan mekaanisesti skannaus optinen antureista pitkän matkustamisen alue, XY käännös vaiheessa ja vaihe moottorit (Applied Motion Products, mikro askelmoottori: 17-075 ja kuljettaja: 3540i) on käänteinen geometrian läpi standardin lasilevy (20 cm x 30 cm x 0,16 cm), johon yksilö lepää. Ei ole häiriöitä lasista fluoresenssi kanssa biomolekyylitason fluoroforeilla kohteisiin: kollageenia ja NADH. Lasilevy litistää kudoksen pinnalla ja tarjoaa kohtuullisen yhtenäistä koetin-kudosta kuvantamisen matkan. Tämä antaa meille mahdollisuuden tehdä kvantitatiivisia mittauksia, säilyttämällä keskeiset optisten ominaisuuksien anturin (pistekoko ja NA), ja hyödyntää meidän kliinisesti todistettu, koetin-pohjainen spektroskooppinen malleihin [12] – [15], mikä ei olisi sovellettavat saatua dataa vapaata tilaa kuvantamisjärjestelmä. Virityssäde pisteen koko pinnalla kudosnäyte istuu lasilevy on arvioitu 1 mm. Labview 8.6 (National Instrument, TX) hallinnoi juovapyyhkäisylaite ohjaamalla XY vaiheessa kautta PC sarjaporttia ja spektritiedot yritysostoja. Yhteensä skannaus aika kudosnäytteen riippuu parametrien valinta kuten heräte teho, integrointiaika, spatiaalinen resoluutio, näkökenttä, jne., Jotka voidaan mukauttaa kudoksen tyypin ja kliinisen tarpeen. Huomaa, että koko Selailuhaun sisältää ajoitus vastaus start /stop ja kääntää askelmoottoreita. Kannettava laite mittaa 60 cm x 30 cm x 30 cm, painaa 13,6 kg ja voidaan helposti sovittaa useimmissa kliinisissä tiloissa kuten potilastutkimus huoneita, menettely huoneita ja leikkaussalit.

Kaavakuva kudoksen skanneri ja valokuvia laite erilaisia ​​näkemyksiä.

Tietojenkäsittely

DRS ja fluoresenssispektrejä (350-700 nm) saadaan kunkin täplän skannattu. Sen jälkeen taustan vähentäminen ja normalisoinnin 20% Spectralon valkoinen heijastuskyky standardeja (Labsphere, NH), DRS spektrit analysoidaan käyttäen matemaattista mallia, joka perustuu diffuusio lähentämisestä valon eteneminen kudoksessa [16]. IFS spektrit saadaan sitten, korjaamalla raaka fluoresenssispektrit aiheutuvia vaikutuksia kudosten absorption ja sironnan käyttäen vastaavaa DRS-spektri [17] – [18], ja analysoitiin käyttäen lineaarista yhdistelmää perustuva malli monimuuttuja käyrän resoluutio (MCR), joka on standardi kemometrisiksi menetelmä [15]. Spectral mallinnus tarjoaa fysikaalisesti mielekkäitä sovitusparametreja jotka ovat määrällisiä toimenpiteitä osuudet tiettyjen kudosten komponentteja. Nämä spektrin parametrit ovat perustana päätöksen algoritmeja käytetään diagnosointiin rintojen [15] ja muiden syöpien [12] – [14]. DRS mallintaminen saannot 3 sironnan parametrit: A, joka liittyy siihen, kuinka paljon Mie sirottajat; B, joka liittyy koko sirottajat; ja C, joka on sukua määrä Rayleigh sirottajat; ja imeytyminen sovitusparametreja hemoglobiinin (Hb) ja β-karoteenia, kaksi hyvin tunnettu iskunvaimentimet rintojen kudosta. IFS mallinnus saannot fluoresenssi sovitusparametreja liittyvät NADH, solu aineenvaihduntatuote, ja kollageeni, fluorofori, joka on runsaampaa kuitumainen strooman rintasyövän kuin normaalissa rintojen kudosta.

DRS ja IFS datakuutiot, eli kolme kolmiulotteinen paneelit kuvan XY koordinaatit ja aallonpituus, saadaan jokaisen skannauksen. Päällekkäisyys alueet ovat sitten yhteistyössä rekisteröity, ilman monimutkaisia ​​matemaattisia transformaatio paitsi yksinkertainen siirtyminen xy rekisteröityä hankittu pikseliä, joka oli aiemmin saatu suhteellisen aseman anturin kalibroinnin aikana. By rekisteröinti DRS ja IFS koetin kantoja, voimme helposti koota 2D määrällinen hyperspektraalisen DRS ja IFS intensiteetti karttoja skannatun kudoksen pintaan. Spektrit jälkeen mallinnettu ja spektrin sovitusparametreja uutettu pikseli-by-pikselin perusteella luoda kvantitatiivinen parametri karttoja. Kudos diagnoosi voidaan myös suoritettu käyttäen parametrin perustuvaa päätöstä algoritmi luoda diagnostisia karttoja. Erityisesti, että rintakudoksen tutkimukset, aiemmin kehitetty DRS-IFS diagnostinen algoritmi [15] levitettiin sovitusparametreja pikseli pikseliltä, ​​ja jokainen pikseli määrätty diagnoosi normaalin rintakudoksen tai rintasyöpä, rakentaa väärän väri diagnostinen kartta skannatun kudoksen pintaan. Tällä hetkellä tietoja käsitellään off line, ja voi kestää jopa sekunti per datapistettä mallin sovitus. Me kuvitella, että reaaliaikaista (on-the-fly) tietojenkäsittely voidaan suorittaa sisällyttämällä kärjessä koneoppimisen algoritmeja, jotka ovat äskettäin tutkittu spektroskooppisille yksityiskohtaiset useat laboratoriot myös meidän omat [19] – [22].

Tissue simuloidaan haamut

Tissue-simuloidaan neste haamut valmistettiin eri seoksista Intralipidin (Invitrogen), hemoglobiini (Hb) (Sigma Aldrich) tai veren ja furaania (Sigma Aldrich) vahvistaa määrälliset uuttamalla kudosten imeytyminen ja florescence ominaisuuksia spektrin saadut tiedot skannerin. Itseliimautuva O-renkaat, joiden sisähalkaisija on 1 cm, joka on järjestetty lasilevyn pitää pisaroita nestettä haamut paikalleen. Käyttämällä mikrolitran pipetin, 200 ui kutakin nestemäistä phantom on huolellisesti sijoitettu osaksi O-renkaat, jotka muodostavat pisaroiden ~2.5 mm syvyyteen. Spectralon standardien (10% ja 20%) sijoitettiin myös näkökenttä, ja niitä käytettiin normalisoimaan spektritiedot. Spektristä, joka saatiin kunkin täplän kussakin phantom laskettiin keskiarvo.

Eläinten kudosta

Eläin kudos tutkimus suoritettiin sen osoittamiseksi, korkean resoluution laaja-kentän hyperspektraalisen kuvantaminen valmiudet ja spektrin kontrasti erottaa kudoksen rakenteisiin vaihtelevalla optisia ominaisuuksia. Koska eläin kudokset saatiin kaupallisesta lähteestä, ruokakauppaan (Shaw’n Supermarket, Lynn MA), tutkija ei ollut suoraa tai välillistä määräysvaltaa ennalta mortem menettelyjä tai eutanasiaa, ja työterveyden riskit ovat nolla, Institutional Animal hoidon ja käytön komitea (IACUC) Massachusetts Institute of Technology ja Case Western Reserve University ei edellytä protokollaa. Puhdas leikattu poikkileikkaus kiinnittämättömiä, jäädytetty ja sulatettiin sian säären kudosnäyte (~ 10 cm) käytettiin. Ennen saattamista kudoksen osassa lasilevy skannausta, se kostutettiin normaalilla suolaliuoksella. Sian säären kudosta käytettiin tässä tutkimuksessa, koska se on enemmän anatominen yksityiskohtaisemmin vaativat korkean resoluution kuvantaminen ja laajemman kudostyypeissä kanssa monipuolisempi optiset ominaisuudet kuin rintojen kudosta.

Human rintakudosten

ihmisen kudosta tutkimus suoritettiin sen osoittamiseksi, kyky kudoksen skannerin rintasyövän diagnoosia. Tutkimus toteutettiin alle hävittää kudos protokollaa luopumista ilmoitti potilaan suostumuksen hyväksymä yliopistollisen sairaalan asia Medical Center Institutional Review Board ja MIT komitea käyttö ihmisissä kuin Experimental aiheet. Laitepari joukko kiinnittämättömiä, jäädytetyt rintakudosten, yksi törkeän syöpä- ja toinen sovitettu törkeän normaalin rintakudoksen samasta potilaasta, saatiin Case Kattava Cancer Center Human Tissue hankintapalvelu skannausta kudoksen skannerin. Kudokset kuljetettiin jäädytettiin kuivajäässä ja sulatettiin huoneenlämmössä ennen skannausta. Kuivumisen estämiseksi, kudokset kostutettiin pienellä määrällä fysiologista suolaliuosta. Kudokset pantiin side-by-side skannerin lasilevy. Skannauksen jälkeen kudospintoja skannattu merkittiin värillinen kolloidisen musteet säilyttää suuntautumiseen, kiinnitettiin 10% neutraaliin puskuroituun formaliiniin, käsitellään ja upotettiin parafiiniin, ja hematoksyliinillä ja eosiini värjätään kudosleikkeiden valmis mikroskooppista tutkimusta Kokeneen rintojen patologi yliopistossa sairaalat Case Medical Center, sillä vertailu spektroskooppinen kuvantamisen tuloksia.

tulokset

Useat tutkimukset tehtiin testata järjestelmän suorituskykyä. Päätöslauselma tavoite käytettiin osoittamaan kuvantamisen valmiudet ja testata erotuskyly järjestelmän. Sarja kudos-simuloida neste Phantoms käytettiin vahvistamaan määrällistä louhintaa kudoksen ominaisuuksien heijastustasolta ja fluoresenssi spektritiedot. Lisäksi eläinten kudokset käytettiin havainnollistamaan hyperspektraalisen kuvantaminen kykyä järjestelmän ja osoittaa spektrin kontrasti erottaa kudosten eri sironta ja absorptio-ominaisuudet. Lopuksi, normaali ja syöpä kudoksia Rintasyöpäpotilas käytettiin käyttökelpoisuuden osoittamiseksi kudoksen skanneri syövän marginaalin arvioinnin laitteeseen.

Erotuskyky

DRS päätöslauselmassa kohde kokeessa positiivinen monitaajuuksinen grid vääristymä kohde (NT46-250, Edmond Optics, kuva 2A) sijoitettiin alaspäin lasilevylle ja DRS skannauksen saatu 2,5 cm x 2,5 cm, jossa heräte teho 200 mW, integrointiaika 10 millisekuntia , spatiaalinen tai kuvan pikselin resoluutio 0,25 mm. Yhteensä hankinta aika DRS kuva oli vähemmän kuin 10 minuuttia. 500 nm aallonpituudella, pienin piste ominaisuudet painettu kohde, 250 mikronia halkaisijaltaan, voidaan ratkaista, kuten on esitetty satunnaisesti valituista DRS kuvan 510 nm kuvassa 2B. Samanlaisia ​​resoluutio havaittiin myös IFS skannausta. Tässä kokeessa pieni pisara furaania (0,8 ug /ml) ja intralipidi (1%) oli sijoitettu O-rengas lasilevy, fluoresenssin rivi scan hankittu poikki pisaran, ja reuna vastaus [23] mitattiin 425 nm, mikä tuottaa IFS resoluutio on 250 mikrometriä (10%: sta 90%: ksi). Nämä tutkimukset osoittavat, että kudos skanneri voi kuva suuren näkökentän Saharan millimetrin resoluutio.

Kuva Päätöslauselman tavoite (A) ja satunnaisesti valitusta 2D 2,5 cm x 2,5 cm DRS intensiteettiä kartta zoomattu tavoite 510 nm (B); brutto valokuva sian säären kudoksen poikkileikkaus oli skannattu (C); valokuva kudoksen poikkileikkaus lasilevylle skannauksen aikana (D); ja 9 cm x 9 cm DRS kuvia kudoksen poikkileikkauksen eri aallonpituuksilla (E-H). Huomaa, että väri baari on kaikille DRS kuvien ja on mielivaltaisina yksikköinä.

Näkökenttä ja spektrin kontrasti

Seuraavaksi puhdas leikattu poikkileikkaus jäädytetty ja sulatettiin sian säären kudosnäyte (~ 10 cm) käytettiin osoittamaan skannaus suurten näkökenttien ja spektrin kontrasti erottaa kudoksen rakenteisiin eri optiset ominaisuudet (kuvio 2C). Sijoittamisen jälkeen lasilevylle (kuvio 2D), DRS skannaukset suoritettiin heräte teho 250 mW, integrointiaika 50 millisekuntia ja spatiaalinen resoluutio 0,5 mm. Yhteensä hankinta aika DRS kuva oli 30 minuuttia. Kuvio 2E esittää DRS intensiteettiä karttoja hankittu skannerin valituilla aallonpituuksilla. DRS intensiteettiä kartan 487 nm oli optimaalinen erottamiseen kudosten tyyppejä hyvin erilaiset optiset ominaisuudet tässä kudoksessa, kuten luu, luurankolihaksiin, rasva ja sidekudosta. Tämä biologinen kudos tutkimus osoittaa, että kudos skanneri kuvaa suuren näkökentän sekä suuri spatiaalinen resoluutio ja spektrin kontrastia erottamaan kudoksia vaihtelevia optiset ominaisuudet.

kalibrointi ja validointi kvantitatiivisia mittauksia

viisitoista nesteen kudoksen simuloida haamut, joka koostuu 2% Intralipid-liuosta ja erilaisia ​​määriä Hb jauheen simuloida rintakudoksen sironta ja absorptio, valmistettiin ja käytettiin DRS kalibrointiin. DRS skannaukset suoritettiin heräte teho 150 mW, integrointi aika 100 millisekuntia ja spatiaalinen resoluutio 0,5 mm. Hb pitoisuus on suurin ensimmäisellä Phantom (# 1) ja viimeksi Phantom (# 15), ja vähitellen pienenee Phantom 1 Phantom 14. 2D DRS skannattu kuva haamut ja Spectralon standardien satunnaisesti valittu aallonpituus (490 nm) on esitetty kuviossa 3C. Kuten odotettua, reflektanssisignaalin intensiteetti oli kääntäen verrannollinen Hb pitoisuus (johtuen Hb absorption). Eli reflektanssisignaali on alhaisin haamut # 1 ja # 15, ja kasvaa laskiessa Hb pitoisuus Phantom # 1 phantom # 14. Kuvio 4A esittää DRS spektri fantomia 1,8 mg /ml Hb yhdessä sen vastaavan mallin sopivuus ja jäljellä. Kuvio 4B esittää Hb pitoisuus lasketaan keskimääräisestä Phantom DRS spektrit, jotka osoittavat erinomaisia ​​kanssa todellinen Phantom Hb pitoisuudet (error≤5%). Kaikki laskettu hajonta liittyviä parametreja olivat vakio kaikissa näytteissä. Muita kokeiluja vakio Hb keskittyminen ja vaihtelemalla intralipidi sirottajasta pitoisuus osoitti laskettu hajonta parametrit olivat verrannollisia intralipidi keskittymä (tuloksia ei ole esitetty). Tulokset näistä nestemäisten phantom kokeet vahvistavat, että kudos skanneri voi mitata fysiologisesti relevantti erilaisia ​​DRS absorption ja sironnan parametrit kaikkialla suuri skannaus näkökenttä.

Viisitoista neste haamut koostuu 2% Intralipid ja vaihtelevia Hb pitoisuudet lasipulloissa (A); O-renkaat täynnä nestettä haamut ja Spectralon standardien (10% ja 20%) on lasilevy, jossa skannaus näkökenttä on merkitty keltaisella teipillä (B); 2D DRS skannaus haamut ja Spectralon standardeja 490 nm (näkökenttä = 10 cm x 10 cm) (C).

DRS spektrejä neste Phantom 1,8 mg /ml Hb (sininen ), joka vastaa mallin sovitus (punainen) ja muut (musta) (A); Pylväsdiagrammi osoittaa Hb konsentraatiokäyrä tulosta (B).

IFS validointi, 4 nestemäinen kudos simuloidaan haamut käytettiin, joka koostuu kahdesta replikoituu kukin 1% intralipidi ratkaisu, jossa kahden eri pitoisuuksien kanssa ihmisen veren ja furaania (0,3 ja 0,8 ug /ml), joka on vahva fluoresenssi 400-450 nm alueella (taulukko 1). Huomaa, että Neulanpistotesti verinäytteen sijasta Hb-aine antaa lisää biokemiallisia fluoroforit ja sironnan, jolla voidaan testata DRS korjaus fluoresenssispektrejä vaikutuksiin sironta ja absorptio. IFS skannaukset suoritettiin heräte voimalla 1,5 mW ja integroimaan kulunut aika on 10 millisekuntia. Hb pitoisuudet kaksi rinnakkaista aaveita määritettiin DRS ja niiden on todettu olevan 3,60 ± 0,20 ja 0,33 ± 0,03 mg /ml. Kuvio 5A osoittaa, että DRS spektrit 4 haamut vaihtelevat ensisijaisesti Hb pitoisuus, kun taas IFS spektrit kuvassa 5B ovat pitkälti riippumattomia Hb keskittyminen ja riippuvat pitoisuuden furaania. Tulokset näistä nestemäisten phantom kokeet vahvistavat, että kudos skanneri voi mitata fluoroforeilla muuttujaan taustalla imeytymisestä sironnan kaikkialla suuri skannaus näkökenttä.

DRS (a) ja IFS spektrit (b) of aaveita vaihtelevalla furaania pitoisuus (phantom 1 ja 2 furan = 0,8 ug /ml); Phantom 3 ja 4 furaania = 0,3 ug /ml).

Normaali ja syöpä rintarauhaskudokseen kuvantamisessa

osoittaa kyky skannerin tunnistaa ihmisen rintasyövän kudosta, pariksi joukko jäädytetyn ja sulatettiin rintakudosten, yksi törkeän syöpä- ja toinen sovitettu törkeän normaalin rintakudoksen samasta potilaasta, pantiin side-by-side skannerin lasilevyn yhtä lähellä toisiaan kuin mahdollista minimoida kuilua kudosten ( Kuvio 6A-B). DRS ja IFS skannaukset suoritettiin samanaikaisesti skannaamalla 3 cm x 3 cm kohdealueen, käyttämällä erillisiä DRS ja IFS antureilla anturilla erottaminen 0,75 cm ja erotuskyky 0,25 mm per pikseli. Heräte teho ja integroimaan kulunut aika oli 400 mW ja 10 millisekuntia DRS, ja 1,5 mW ja 10 millisekuntia IFS skannausta. Yhteensä kuva hankinta aika 150 × 150 kuvapistettä oli 18 minuuttia. 2D määrällinen DRS ja IFS intensiteettiä karttoja luotiin. DRS ja IFS spektrit jälkeen mallinnettiin ja sovitusparametreja uutetaan muodostaa 2D määrällisiä parametri karttojen vertailu patologian.

Kaavio normaalien ja rintasyövän kudokset asetetaan lasilevylle skannauksen aikana (A); Gross valokuva rintakudosten (B); Composite fotomikrograafi histopatologia rintakudosten (C) (alkuun seuraava: duktaalikarsinooma

in situ

; -pohjakorkki: invasiivisia duktaalikarsinooma); DRS (D) ja IFS (E) spektrit rintakudosten.

tulokset patologian tutkimus (kuvio 6C) vahvistettiin, että törkeän syöpäkudoksen koostuu suurelta osin rintasyöpä (invasiivinen duktaalikarsinooma). Mielenkiintoista on, että selvästi normaalissa rintakudoksessa, vaikka nähdään mikroskoopilla on lähinnä normaalissa rintakudoksessa, sisälsi useita pesäkkeitä rintasyövän (duktaalikarsinooma

in situ

) 1-3 mm halkaisijaltaan. DRS ja IFS spektri saatu skannerin kuvan pikseliä käytössä rintasyöpä ja normaalin rintakudoksen (kuvio 6D-E) ovat samanlaisia ​​kuin me saatiin käyttäen samanlaisia ​​valokuitu antureista ei-kuvantamisen multimodaalisen spektroskopia järjestelmä [15]. Vaikka yksittäiset 2D DRS ja IFS intensiteettiä kartat osoittavat spektrin kontrastin ja on tarvittava kemiallisen tiedon upotettu niitä, ne eivät itsestään luotettavasti erottaa normaali rintojen kudosta rintasyöpään (kuvio 7A-B).

DRS intensiteettiä kartta normaalien ja syöpäkudosten 545 nm: ssä (A); IFS intensiteettiä kartta 425 nm (B); DRS parametri kartat sironnan parametrien A, B ja C, Hb ja β-karoteeni, vast. (C-G); IFS parametri kartta kollageenin (H).

eksplisiittisesti erottaa syöpä- ja normaalin rintakudoksen käytimme fysikaalis-kemialliset sovitusparametreja uutetaan DRS ja IFS spektrit. Yhteensä seitsemän parametrien poimittiin spektreistä ja käytettiin luonnehtimaan kudos: viisi DRS parametrit (A, B, C, Hb ja β-karoteeni) ja kaksi IFS parametrit (kollageeni ja NADH). Kuvio 8 on graafinen esitys keskiarvo ja keskihajonta näiden spektriparametrien normaalin ja syövän rintakudosten. Tulokset osoittavat, että normaali kudos on selvästi erilainen keskiarvot sironnan, absorption ja fluoresenssin parametreja kuin syöpä kudos, ja tilastollinen t-testi analyysi osoittaa, että nämä erot ovat huomattavat kaikkien parametrien on 99% luottamuksellisia taso (taulukko 2). Erityisesti suuremmat arvot A, C, β-karoteenia ja NADH parametrit löytyvät normaalissa rintakudoksessa, kun taas suuremmat arvot B, Hb ja kollageenin parametrit löytyvät Rintasyöpäkudoksen. Korkeammat arvot C-parametrin ovat yhdenmukaisia ​​koon kasvu kasvainsolujen ytimiä, ja sen seurauksena ydin-to-sytoplasminen suhde on ominainen rintasyöpä (sekä invasiivinen duktaalinen karsinooma ja duktaalikarsinooma

in situ

) [24]. Suuremmat arvot Hb ja kollageeni parametrit ovat sopusoinnussa myös angiogeneesin läsnäolon ja strooman fibroosia, vast., Joita yleensä havaitaan rintasyöpä.

Bar kaavio pixel-to-pikselin tarkoittaa DRS ja IFS parametrit normaali ja rintasyöpä kudoksiin.

Kuten DRS ja IFS intensiteettiä karttoja, yksittäiset DRS ja IFS parametri karttoja eivät sinänsä luotettavasti erottaa normaali rintojen kudosta rintasyöpään (Fig. 7 C-H). Kuitenkin normaali rintojen kudosta voitaisiin luotettavasti erottaa rintasyövän kudoksen skannerin kuvia käyttämällä päätös algoritmi perustuu yhdistelmään DRS ja IFS parametrien kehitetty edellisessä kohdassa koetin tutkimuksessa [15]. Tässä algoritmi, IFS kollageenin ja DRS β-karoteeni parametreja käytetään erottamaan normaalin rintakudoksen kaikista rintaleesiot lukien fibrokystisten muutos, fibroadenoma ja syöpä. Koska tämä kokeilu sisältää vain normaalia ja syöpä- rintakudoksen, tämä sama algoritmi olisi riittävän diagnostisen syrjintää, jos se on siirrettävissä (eli on vankka). Parametri sirontakuvaajaan varten DRS β-karoteeni ja IFS kollageenin parametrien ja diagnostisia kartta perustuu näihin 2 parametrit kuvassa 9 osoittavat, että DRS-IFS algoritmi on todellakin siirtää ja se on riittävä erottamaan kudoksen tyyppejä tässä tapauksessa. Edustavia datapisteitä valittiin satunnaisesti kaksi kudosta alueiden parametrin sirontakuvaajaan kuvassa 9A. Diagnostinen kartta Kuvassa 9B tunnistaa paitsi suuri painopiste invasiivisen duktaalikarsinooma että törkeästi syöpä rintakudoksen (vasemmalla), mutta myös pieniä (alle 1-3 mm) pesäkkeitä duktaalikarsinooma

in situ

on selvästi normaalia rintojen kudosta, jota ei voida tunnistaa yksittäisissä DRS β-karoteeni (kuva 7G) ja IFS kollageenin (kuvio 7H) parametri karttoja. Tämä viittaa siihen, että kudos skanneri on riittävä spatiaalinen resoluutio ja spektrin poiketen havaita pieniä pesäkkeitä syövän kirurgista marginaalit. Tämä proof-of-concept kokeilu luo perustan tulevalle työlle entistä laaja kliininen luonnehdinta väline ja sen soveltaminen intraoperatiivinen arviointia kirurgisten marginaalien syöpää rinta- ja muiden elinjärjestelmien.

sirontakuvaajaan päätöksenteon algoritmi DRS β-karoteeni ja IFS kollageenin parametrit valikoiva alueiden normaalissa ja syövän rintakudosten (A); Diagnostiset kartta normaalin ja rintasyövän kudoksissa käyttäen päättelyalgoritmia (B).