Abstract
Det er fortsatt et betydelig klinisk behov for rask og pålitelig intraoperativ margin vurdering under kreft kirurgi. Her beskriver vi en bærbar, kvantitativ, optisk fiber probe-basert, spektroskopiske vev scanner laget for intraoperativ bildediagnostikk av kirurgiske marginer, som vi testet i en proof of concept studie i menneskelig vev for brystkreftdiagnose. Vevet skanner kombinerer både diffus spektroskopi (DRS) og iboende fluorescens spektroskopi (IFS), og har hyperspektral avbildning evne, anskaffe fullt DRS og IFS spektra for hver skannede bildet piksel. Modellering av DRS og IFS spektra gir kvantitative parametre som gjenspeiler den metabolske, biokjemiske og morfologiske tilstand av vev, som er oversatt til sykdom diagnose. Vevet Skanneren har høy romlig oppløsning (0,25 mm) over et bredt synsfelt (10 cm × 10 cm), og både høy spektral oppløsning (2 nm) og høy spektral kontrast, lett å skille vev med svært varierende optiske egenskaper (bein, skjelettmuskulatur, fett og bindevev). Tissue-simulere fantom eksperimenter bekrefte at vevet skanner kan kvantitativt måle spektralparametre, for eksempel hemoglobinkonsentrasjon, i en fysiologisk relevant område med en høy grad av nøyaktighet (mindre enn 5% feil). Til slutt, studier med humane brystvev viste at vevet skanneren kan oppdage små foci av brystkreft i en bakgrunn av normal brystvev. Dette vevet skanner er enklere i utformingen, bildene større Synsfelt ved høyere oppløsning og gir en mer fysisk menings vev diagnose enn andre spektroskopiske bildesystemer for tiden rapportert i litteraturen. Vi tror dette spektroskopiske vev skanner kan gi real-time, omfattende diagnostisk avbildning av kirurgiske marginer i skåret vev, vinne prøvetaking begrensning i dagens histopatologi margin vurdering. Som sådan er det et betydelig skritt i utviklingen av en plattform-teknologi for intraoperativ behandling av kreft, en klinisk problem som har blitt tilsidesatt adressert til dato
Citation. Lue N, Kang JW, Yu CC, Barman jeg , Dingari NC, Feld MS, et al. (2012) Portable Optical Fiber Probe-Based Spektroskopiske Scanner for Rapid Cancer Diagnosis: Et nytt verktøy for Intraoperative Margin Assessment. PLoS ONE 7 (1): e30887. doi: 10,1371 /journal.pone.0030887
Redaktør: Tarl Wayne Prow, University of Queensland, Australia
mottatt: 01.09.2011; Godkjent: 22 desember 2011; Publisert: 27 januar 2012
Copyright: © 2012 Lue et al. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Finansiering:. Denne forskningen ble støttet av National Institutes of Health National Center for Forskning Resources (P41-RR02594 og S10-RR031845) og National Cancer Institute (R01-CA97966 og R01-CA140288) og av vev anskaffelser, Histologi og Immunohistochemistry Kjerne Facility av saken Comprehensive Cancer Center (P30 CA43703). Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere eller utarbeidelse av manuskriptet
Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
Rask og pålitelig intraoperativ vev diagnose er en kritisk komponent for vellykket kreftkirurgi i en rekke organsystemer. Likevel er det fortsetter å eksistere et signifikant klinisk behov for hurtig og pålitelig intraoperativ margin vurdering av skåret kirurgiske prøver. Foreløpig er intraoperativ margin vurderingen gjøres ved visuell inspeksjon og palpasjon, etterfulgt av selektiv vurdering av eventuelle mistenkelige områder ved rask histologi eller cytologi evaluering, som kan være tidkrevende og unøyaktig på grunn av begrenset antall prøver. Det er ikke uvanlig for resultatet av denne patologiske margin vurderingen som kommer etter det kirurgiske såret lukkes og pasienten flyttet til oppsamlingsrommet. Videre er det hyppige avvik mellom selektive intraoperativ og mer omfattende postoperativ patologi margin vurdering, nødvendig reoperasjon for å oppnå negative marginer. I brystbevarende kirurgi, for eksempel, er re-operasjon for positive marginer oppdaget etter operasjonen kreves i opptil 50% av tilfellene [1]. Videre gjentar brystkreft lokalt i det kirurgiske sengen i ~ 10% av pasienter med negative marginer for postoperativ patologi margin vurdering [2] som, selv om mer omfattende enn intraoperativ patologi vurdering, er fremdeles gjenstand for prøvetaking begrensninger. Intraoperativ vurdering av kirurgiske marginer er derfor et viktig skritt i kirurgisk behandling av kreft som har fått tilfredsstillende adressert til dags dato. Utfordringen i å ta opp dette behovet er å utvikle en imaging system med en bred nok synsfelt til bilde store kirurgiske prøver med høy nok oppløsning til å oppdage små foci av kreft ved kirurgisk margin i et klinisk nyttig tidsramme.
Optisk fiber probe-basert diffuse spektroskopi (DRS) og iboende fluorescens spektroskopi (IFS) blir aktivt ivaretatt som verktøy for sanntids diagnostisering av kreft [3], og har fordeler fremfor andre tilnærminger til intraoperativ og helhetlig vurdering av kirurgiske marginer . DRS og IFS avhenger av de iboende optiske egenskaper for vev og, som sådan, krever ikke eksogene avbildnings prober eller kontrastmidler. Kombinasjonen av DRS og IFS gir informasjon om metabolske, biokjemiske og morfologiske tilstand av vev, som kan oversettes til sykdomsdiagnose. DRS og IFS har relativt grunt (≤1 mm) vevspenetrasjon, og dermed avhøre bare margen av det utskårede vevsprøve. I motsetning til tradisjonelle patologi diagnose, kan spektroskopisk diagnose utføres i sanntid. Spektroskopiske teknikker er også kvantitative og derfor mer objektiv enn den tradisjonelle tilnærming, som er gjenstand for patologen tolkning. Konvensjonelle fiberoptiske sonde-baserte spektroskopiteknikker bare undersøke et lite område av vev (~ 1 mm) om gangen, og så kan lide fra under prøvetaking og enkelt gå glipp av lesjon av interesse. Spektroskopiske imaging teknikker [4] -. [9] kan undersøke hele margin på det utskårede vevsprøve, og så er ikke utsatt for prøvetaking begrensningene som ligger i tradisjonell patologi undersøkelse
Her presenterer vi en bærbar, kvantitativ, optisk fiber probe-basert, spektroskopiske vev skanner som kan gi sanntids helhetlig vurdering av kirurgiske marginer i utskårende vevsprøver. Skanneren fremskritt våre optiske fiber probe-baserte spektroskopi instrumenter [10], [11], som har blitt ansatt i kliniske studier for diagnostisering av muntlige, esophageal, livmorhalskreft og brystkreft [12] betydelig – [15], til en bredt felt, høy oppløsning regime som er nødvendig for å være et effektivt klinisk redskap for intraoperativ margin bedømmelse ved kreft kirurgi. Dette vevet skanner er enklere i utformingen, bildene større Synsfelt ved høyere oppløsning og gir en mer fysisk menings vev diagnose enn andre spektroskopiske margin bildesystemer for tiden i utvikling. Totalt sett, vev skanner kan gi raske og nøyaktige, diagnostiske bilder av hele margin på skåret kirurgiske prøver, overvinne prøvetaking begrensning i dagens patologi margin vurdering. Vi tror vevet skanneren er en plattform-teknologi som har potensial til å gi sanntid, omfattende, intraoperativ vurdering av kirurgiske marginer som gjør at mer komplett reseksjon av sykt vev og bedre bevaring av normalt vev ved kirurgi for brystkreft og andre solide tumorer .
Materialer og metoder
Instrumentering
En bærbar vev skanner ble konstruert som kan skanne store vevsprøver (opptil 20 cm x 20 cm) med høy oppløsning (0,25 mm ) i en klinisk akseptabel tidsperiode (mindre enn 20 minutter til 8 cm x 8 cm område og 0,25 mm oppløsning). Figur 1 viser et skjematisk diagram og bilder av vev skannerenheten. Skanneren bruker enhetlige multimodale optiske fiber sonder som vi har blitt ansatt i en multimodal klinisk spektrossystem [10] for punkt spektroskopi målinger. To optiske fibersonder er brukt, en for DRS og en annen for IFS, til en fast atskillelse på 0,75 cm for å minimalisere krysstale mellom to prober. Hver sonde består av en fiberbunt med en enkelt sentral fiber som leverer eksitasjonslys til vevet, omgitt av en ring av flere fibre som innhenter reflekterte og fluorescerende lys som returnerer fra prøven og overfører den til spektrografen (alle fibrene har 200 um kjerne og NA = 0,22), avsluttet med en gjennomsiktig, beskyttende optisk skjold. I denne studien ble bare en av oppsamlings fibrene som brukes i hver probe. A 75 W Xenon buelampe (Oriel Instrument, USA) blir brukt til å generere eksiteringslys for DRS og en 7 mW Q-svitsjet solid state laser ved 355 nm (SNV-40F-000, Teem Photonics) for å generere eksiteringslys for IFS. Denne bølgelengden ble valgt basert på tidligere IFS studier av brystkreft [15]. Dette er imidlertid en plattformteknologi som lett kan brukes sammen med andre eksitasjonsbølgelengdene for diagnostiske anvendelser. Signaler er samlet med miniatyr spektrometre (USB2000 +, Ocean Optics). De spektrometre har spektral oppløsning på 2 nm ved full bredde halvt maksimum (FWHM). Wide Area bildekapasitet oppnås ved mekanisk skanning optiske sonder med en lang reise rekkevidde, XY oversettelse scenen og step motorer (Applied Motion Produkter, micro stepper motor: 17-075 og driver: 3540i) i en omvendt geometri gjennom en standard glassplate (20 cm x 30 cm x 0,16 cm) på hvilken prøven hviler. Det er ingen forstyrrelser fra glass fluorescens med biomolekylære fluorophores av interesse: kollagen og NADH. Glassplaten flater vevet overflate, og gir en rimelig ensartet sonde-vev avbildning avstand. Dette gir oss muligheten til å gjøre kvantitative målinger, ved å bevare de viktigste optiske egenskapene til sonden (spot størrelse og NA), og dra full nytte av våre klinisk bevist, probe-baserte spektroskopiske modeller [12] – [15], noe som ikke ville være gjelder data innhentet med en ledig plass imaging system. Eksitasjon bjelke punktstørrelse på overflaten av en vevsprøve som sitter på glassplaten er anslått til å være mindre enn 1 mm. LabVIEW 8.6 (National Instrument, TX) forvalter rasteravsøks ved å kommandere XY scenen gjennom PC-serieporter og de spektrale data oppkjøp. Totale skannetiden for den vevsprøve avhenger av valget av parametere som magnetiseringseffekt, integrere tid, romlig oppløsning, synsfelt, etc., som kan justeres i henhold til vevstype og klinisk behov. Merk at total skanning tid omfatter timing respons på start /stopp og reversere stepper motorer. Den bærbare enheten måler 60 cm x 30 cm x 30 cm, veier 13,6 kg og lett kan passe i de fleste kliniske områder, inkludert pasient undersøkelsesrom, prosedyre rom og operasjonssaler.
Skjematisk fremstilling av vevet skanneren og fotografier av enheten fra forskjellige visninger.
Databehandling
DRS og fluorescens spektra (350-700 nm) oppnås for hver spot skannet. Etter bakgrunn subtraksjon og normalisering med 20% SPECTRALON hvite refleksjons standarder (Labsphere, NH), er DRS spektra analysert ved bruk av en matematisk modell basert på diffusjon tilnærming av lysforplantningen i vev [16]. IFS-spektra blir deretter oppnådd ved å korrigere den rå fluorescensspektra for virkningene av vev absorpsjon og spredning ved hjelp av den tilsvarende DRS-spektra [17] – [18], og analysert ved bruk av en lineær kombinasjon modell basert på multivariat kurve oppløsning (MCR), en standard kjemometrisk metoden [15]. Spectral modellering gir fysisk meningsfulle montering parametere som er kvantitative mål bidrag fra bestemte vev komponenter. Disse spektrale parametre er grunnlaget for beslutnings algoritmer som brukes ved diagnose av brystkreft [15] og andre kreftsykdommer [12] – [14]. DRS modellering gir 3 spredning parametere: A, som er relatert til mengden av Mie sprederne; B, som er relatert til størrelsen på sprederne; og C, som er relatert til mengden av Rayleigh sprederne; og absorpsjon passende parametre for hemoglobin (Hb) og β-karoten, to godt karakterisert absorbenter i brystvev. IFS modellering gir fluorescens montering parametre relatert til NADH, en mobil metabolitt, og kollagen, et fluorophore som er mer rikelig i fiber stroma av brystkreft enn i normalt brystvev.
DRS og IFS datakuber, dvs. tre dimensjonale matriser av bildet XY koordinater og bølgelengde, er foretatt under hver skanning. Overlappingsområdene blir deretter samtidig er registrert, uten behov for komplisert matematisk transformasjon, bortsett enkel forskyvning av XY registrere i ervervet bildeelementer, som tidligere ble oppnådd fra den relative posisjonen av sonden i løpet av kalibreringen. Ved registrering av DRS og IFS sonde posisjoner, kan vi enkelt montere 2D kvantitativ hyperspektral DRS og IFS intensitet kart over skannede vev overflaten. Spektrene blir deretter modellert og spektral montering parametere hentet på en piksel-for-piksel grunnlag for å lage kvantitative parameter kart. En vev diagnose kan også gjøres ved hjelp av en parameter basert beslutnings algoritme for å skape diagnostiske kart. Spesielt for brystvev studier, en tidligere utviklet DRS-IFS diagnostisk algoritme [15] ble brukt til montering parametre på en piksel-for-piksel, og hver piksel tildelt en diagnose av normal bryst eller brystkreft, for å bygge en falsk farge diagnostisk kart over skannede vev overflaten. Foreløpig data behandles på linje, og kan ta opptil et sekund per datapunkt for modell montering. Vi ser for oss at sanntid (on-the-fly) databehandling kan utføres ved å inkludere cutting edge maskin læring algoritmer som nylig er blitt undersøkt for spektroskopiske modaliteter ved flere laboratorier, inkludert vår egen [19] – [22]
.
Tissue simulere fantomer
Tissue-simulering flytende fantomene var forberedt fra ulike blandinger av Intralipid (Invitrogen), hemoglobin (Hb) (Sigma Aldrich) eller blod, og furan (Sigma Aldrich) for å validere kvantitativ ekstraksjon av vev absorpsjon og florescence egenskaper fra de spektrale data innhentet med skanneren. Selvklebende O-ringer med en indre diameter på 1 cm ble anordnet på glassplaten for å holde dråper av væske fantomer på plass. Ved hjelp av en mikroliter pipette, ble 200 ul av hver væske fantom nøye plassert i O-ringene, og danner dråper ~2.5 mm i dybden. SPECTRALON-standarder (10% og 20%) ble også plassert i synsfeltet, og ble brukt til å normalisere de spektrale data. Spektra fra hvert sted innenfor hvert fantom ble i gjennomsnitt.
Animal vev
Et dyr vev studie ble utført for å demonstrere høyoppløselig wide-feltet hyperspektral avbildning evne og spektral kontrast å skille vev strukturer med varierende optiske egenskaper. Som dyret vev som brukes er hentet fra en kommersiell kilde, en matbutikk (Shaws Supermarked, Lynn MA), etterforskeren hadde ingen direkte eller indirekte kontroll over pre-mortem prosedyrer eller eutanasi, og yrkes helserisiko er null, Institutional Animal Care og bruk Committee (IACUC) ved Massachusetts Institute of Technology og ved case Western Reserve University ikke krever en protokoll. Et rent snitt tverrsnitt av en ufikserte, frosset-tint svin nedre ben vevsprøve (~ 10 cm i diameter) ble anvendt. Før du plasserer vevet delen på glassplaten for skanning, ble det fuktet med vanlig saltvann. Porcine leggen vev ble brukt i denne studien som den har mer anatomisk detalj som krever høy oppløsning og et bredere spekter av vevstyper med mer varierte optiske egenskaper enn brystvev.
Menneske brystvev
Et humant vev studie ble utført for å demonstrere evnen til vev skanner for brystkreft diagnose. Studien ble gjennomført under en kassert vev protokoll med en fraskrivelse av informerte pasienten samtykke godkjent av universitetssykehusene sak Medical Center Institutional Review Board og MIT komité for bruk av mennesker som eksperimentelle fag. En paret sett ikke reparerte, frosne brystvev, en grovt kreft og en annen matchet grovt normalt brystvev fra samme pasient, ble hentet fra sak Comprehensive Cancer Center menneskelig vev anskaffelser Facility for skanning på vevet skanneren. Vev ble levert frosset på tørris og tint ved romtemperatur før skanning. For å forhindre dehydrering, ble vevene fuktet med en liten mengde av normal saltløsning. Vevene ble plassert side ved side på skannerglassplate. Etter skanning, ble vev overflater skannet merket med fargede kolloidale blekk for å bevare orientering, fiksert i 10% nøytral bufret formalin, behandlet og i parafin, og hematoxylin og eosin farget vevssnitt forberedt for mikroskopisk undersøkelse av en erfaren bryst patolog ved Universitetet sykehus sak Medical Center, for sammenligning med spektroskopiske bilderesultater.
resultater
En rekke studier ble utført for å teste systemets ytelse. En oppløsning mål ble brukt for å demonstrere den bildekapasitet og for å teste romlig oppløsning av systemet. En serie av vev-simulerende flytende fantomene ble anvendt for å validere kvantitativ ekstraksjon av vev egenskaper fra de reflektans og fluorescens-spektral-data. Dessuten ble animalsk vev anvendt for å illustrere den hyperspektral bildekapasitet av systemet og viser spektral kontrast til å skille vev med forskjellige sprednings- og absorpsjonsegenskaper. Til slutt ble normale og kreft vev fra en brystkreftpasient som brukes til å demonstrere anvendeligheten av vevet skanneren som en kreft margin vurderingsenheten.
Romoppløsning
I DRS oppløsning målet eksperiment, en positive multi-frekvens rutenett forvrengning mål (NT46-250, Edmond Optics, figur 2A) ble plassert med forsiden ned på glassplaten, og en DRS skanning hentet fra en 2,5 cm x 2,5 cm med eksitasjon makt 200 mW, integrere tid 10 millisekunder , romlig eller bildepikseloppløsning 0,25 mm. Total innhentingstiden for den DRS bildet var mindre enn 10 minutter. Ved 500 nm bølgelengde, den minste dot funksjonene trykt i målet, 250 mikron i diameter, kan løses som vist i tilfeldig valgt DRS bilde ved 510 nm i figur 2B. Lignende vedtak ble også funnet for IFS skanning. I dette forsøk ble en dråpe av furan (0,8 ug /ml) og intralipid (1%) ble plassert inne i en O-ring på glassplaten, en fluorescens linje scan ervervet på tvers av dråpen, og kanten reaksjon [23] målt 425 nm, noe som ga en IFS oppløsning på 250 pm (10% til 90% overgang). Disse studiene viser at vevet skanneren kan bildet et stort synsfelt med sub-millimeter oppløsning.
Et bilde av oppløsningen målet (A) og en tilfeldig valgt 2D 2,5 cm x 2,5 cm DRS spektral intensitet kartet zoomede målet på 510 nm (B); en grov fotografi av den porcine leggen vev tverrsnitt som ble skannet (C); et fotografi av vevet tverrsnittet på glassplaten under skanning (D); og 9 cm x 9 cm DRS bilder av vev tverrsnitt ved forskjellige bølgelengder (E-H). Merk at fargelinjen er for alle DRS bilder og er i vilkårlige enheter.
synsfelt og spektral kontrast
Deretter et rent snitt tverrsnitt av en frossen-tint svin nedre ben vevsprøve (~ 10 cm i diameter) ble brukt for å demonstrere skanning av store synsfelt og spektral kontrast til å skille vev strukturer med forskjellige optiske egenskaper (figur 2C). Etter emisjonen på glassplaten (figur 2D), ble DRS skanninger utført med eksitasjon makt 250 mW, integrere tid 50 millisekunder og romlig oppløsning 0,5 mm. Samlet oppkjøpet tid for DRS bildet var 30 minutter. Figur 2E viser DRS spektral intensitetskart anskaffet med skanneren ved utvalgte bølgelengder. Den DRS spektral intensitet kart på 487 nm var optimal for å skille vevstyper med vidt forskjellige optiske egenskaper i dette vevet, inkludert bein, muskel-skjelettlidelser, fett og bindevev. Dette biologisk vev studien viser at vevet skanner kan bildet et stort synsfelt med både høy romlig oppløsning og spektral kontrast å skille vev med ulik optiske egenskaper.
Kalibrering og validering av kvantitative målinger
femten flytende vev simulere fantomene, bestående av en 2% intralipid oppløsning og forskjellige mengder av Hb-pulver for å simulere brystvev spredning og absorpsjon, ble fremstilt og anvendt for DRS kalibrering. DRS skanninger ble utført med eksitasjon makt 150 mW, integrere gang 100 millisekunder og romlig oppløsning 0,5 mm. Hb-konsentrasjonen er høyest i den første fantom (# 1) og siste fantom (# 15), og gradvis minsker fra en fantom til fantom 14. En 2D DRS skannede bildet av fantomene og SPECTRALON standarder ved et tilfeldig valgt bølgelengde (490 nm) er vist i figur 3C. Som forventet, reflektansen signalintensiteten var omvendt proporsjonal med Hb-konsentrasjon (på grunn av Hb absorpsjon). Det vil si at refleksjon signal er den laveste i fantomer # 1 og # 15, og øker med avtagende Hb-konsentrasjon fra fantom # 1 til # 14 fantom. Figur 4A viser et DRS-spektrum av et fantom med 1,8 mg /ml Hb sammen med sin tilsvarende modell passform og residual. Figur 4B viser Hb konsentrasjonen beregnet fra gjennomsnittlig phantom DRS spektra, som viser utmerket avtale med de faktiske fantom Hb konsentrasjoner (error≤5%). Alle beregnet spredningsrelaterte parametre var konstant i alle prøvene. Ytterligere eksperimenter med konstant Hb-konsentrasjon og varierende intralipid sprednings konsentrasjon viste de beregnede sprednings parametre var proporsjonal med konsentrasjonen intralipid (data ikke vist). Resultatene av disse flytende fantom eksperimenter bekreftet at vevet skanneren kan måle nøyaktig et fysiologisk relevant rekke DRS absorpsjon og spredning parametre over en stor skanne synsfelt.
Femten flytende fantomer sammensatt av 2% intralipid og varierende Hb konsentrasjoner i glassampuller (A); O-ringer fylt med flytende fantomer og SPECTRALON-standarder (10% og 20%) på glassplaten, med det skanning synsfeltet merket med gult bånd (B); 2D DRS skanning av fantomer og SPECTRALON standarder på 490 nm (synsfelt = 10 cm x 10 cm) (C).
DRS spektra fra en væske fantom med 1,8 mg /ml Hb (blå ), tilsvarende modelltilpasning (rød) og rester (sort) (A); Stolpediagram som viser resultatene de Hb konsentrasjonskurven (B).
For IFS validering, ble fire flytende vev simulere fantomer brukt, som består av to gjentak av en 1% Intralipid løsning med to ulike konsentrasjoner av menneskelig blod og furan (0,3 og 0,8 pg /ml), som har sterk fluorescens i 400-450 nm området (tabell 1). Legg merke til at en nålestikk blodprøve ble anvendt i stedet for Hb pulver for å tilveiebringe ytterligere biokjemiske fluoroforer og spredere som brukes til å teste DRS korreksjon av fluorescensspektra for virkningen av spredning og absorpsjon. IFS skanninger ble utført med eksitasjon kraft 1,5 mW og integrere på 10 millisekunder. Hb-konsentrasjoner i de to settene med replikate fantomer ble bestemt fra DRS data og funnet å være 3,60 ± 0,20 og 0,33 ± 0,03 mg /ml. Figur 5A viser at DRS-spektrene av de 4 fantomene varierer først og fremst med Hb-konsentrasjon, mens den IFS spektra er vist i figur 5B er stort sett uavhengig av Hb-konsentrasjon og avhenger av konsentrasjonen av furan. Resultatene av disse flytende fantom eksperimenter bekreftet at vevet skanneren kan måle nøyaktig fluoroforer i en variabel bakgrunn av absorpsjon og spredning over et stort skanning synsfelt.
DRS (a) og IFS spektra (b) av fantomer med varierende konsentrasjon furan (stiplede linjer 1 og 2 furan = 0,8 ug /ml); fantom 3 og 4 furan = 0,3 mg /ml).
Normal og kreft brystvev bildebehandling
For å demonstrere evnen til skanneren for å identifisere menneskelige brystkreft vev, en sammenkoblet sett med frossen-tint brystvev, en grovt kreft og en annen matchet grovt normalt brystvev fra samme pasient, ble plassert side ved side på skannerglassplate så nær hverandre som mulig for å minimere gapet mellom vev ( figur 6A-B). DRS og IFS skanninger ble utført ved samtidig å skanne 3 cm x 3 cm område av interesse, ved hjelp av separate DRS og IFS-prober med en sonde separering av 0,75 cm og romlig oppløsning på 0,25 mm per piksel. Magnetiseringseffekten og integrere gang var 400 mW og 10 millisekunder for DRS, og 1,5 mW og 10 millisekunder for IFS skanning. Total image oppkjøpet tid for 150 × 150 piksler var 18 minutter. 2D kvantitativ DRS og IFS spektrale intensitet kartene ble opprettet. Den DRS og IFS spektra ble deretter modellert og montering parametere hentet for å danne 2D kvantitative parametre kart for sammenligning med patologi
Diagram av normale og brystkreft vev som plasseres på glassplate under skanning (A).; Brutto fotografi av brystvev (B); Composite mikrofotografi av histopatologi av brystvev (C) (øverst Innsats: ductal carcinoma
in situ
, bunninnsatsen: invasive ductal carcinoma); DRS (D) og IFS (E) spektra av brystvev.
Resultater av patologi eksamen (figur 6C) bekreftet at grovt kreftvev består hovedsakelig av brystkreft (invasiv ductal carcinoma). Interessant, grovt normalt brystvev, men sett mikroskopisk å bestå hovedsakelig av normalt brystvev, inneholdt flere foci av brystkreft (ductal carcinoma
in situ
) 1-3 mm i diameter. DRS og IFS-spektra oppnådd fra skanneren bildepiksler okkupert av brystkreft og normalt brystvev (figur 6D-E) er lik de som vi oppnådd ved anvendelse av tilsvarende optisk fiber prober i et ikke-bilde multimodale spektroskopi system [15]. Men selv om enkelte 2D DRS og IFS spektral intensitetskart viser spektral kontrast og har den nødvendige kjemisk informasjon innebygd i dem, har de ikke av seg selv skille pålitelig normalt brystvev fra brystkreft (Figur 7A-B).
DRS spektral intensitets kart over normale og kreftvev ved 545 nm (A); IFS spektral intensitet kart på 425 nm (B); DRS parameterkart for spredning parametere A, B og C, Hb og β-karoten, resp. (C-G); IFS parameter kartet for kollagen (H).
For å eksplisitt skille mellom kreft og normalt brystvev, vi brukt de fysisk-kjemiske montering parametre hentet fra DRS og IFS spektra. Til sammen sju parametre ble ekstrahert fra spektrene og brukt for å karakterisere vev: fem DRS parametere (A, B, C, Hb og β-karoten) og to IFS parametre (kollagen og NADH). Figur 8 er en grafisk fremstilling av gjennomsnittet og standardavvik av disse spektrale parametre for normale og kreft brystvev. Resultatene viser at den normale vev har tydelig forskjellige middelverdier av spredning, absorpsjon og fluorescens parametere enn kreftvev, og statistiske t-test-analyse viser at disse forskjellene er vesentlige for alle parametre til 99% konfidensielle nivå (tabell 2). Nærmere bestemt, høyere verdier for A, C, P-karoten og NADH-parametre som finnes i normalt brystvev, mens høyere verdier av B, Hb og kollagen parametre finnes i brystkreft vev. De høyere verdier av C-parameteren er konsistent med den økte størrelsen på tumorcellekjerner, og som et resultat av kjerne-til-cytoplasma-forhold som er karakteristisk for brystkreft (både invasive ductal karsinom og duktalt karsinom
in situ
) [24]. De høyere verdier av Hb og kollagen parametere er også i overensstemmelse med tilstedeværelse av angiogenese og stromal fibrose, resp., Vanligvis sett på brystkreft.
Bar skjema over pixel-for-pixel betyr DRS og IFS parametere i normale og brystkreft vev.
Som med DRS og IFS spektrale intensitet kart, de enkelte DRS og IFS parameter maps ikke av seg selv på en pålitelig skille normalt brystvev fra brystkreft (fig. 7 C-H). Imidlertid kan normalt brystvev pålitelig skilles fra brystkreft i vev scanner bilder ved å ansette en avgjørelse algoritme basert på en kombinasjon av DRS og IFS parametere, utviklet i vår forrige punkt sonde studie [15]. I denne algoritmen blir IFS kollagen og DRS β-karoten parametre som brukes for å skille normalt brystvev fra alle bryst lesjoner inkludert fibrocystic endring, fibroadenoma og kreft. Siden dette eksperiment kun omfatter normale og kreft brystvev, bør den samme algoritmen gir tilstrekkelig diagnostisk diskriminering, hvis det er overførbare (det vil si er robust). Parameteren spredningsdiagram for den DRS β-karoten og IFS kollagen parametere og diagnostisk kart basert på disse 2 parametrene i figur 9 viser at DRS-IFS-algoritmen er virkelig overføres, og er tilstrekkelig til å skille de vevstyper i dette tilfellet. Representative datapunktene ble tilfeldig valgt ut fra de to vev regioner for den parameteren spredningsdiagram vist i figur 9A. Den diagnostiske kartet i figur 9B identifisert ikke bare stor fokus for invasive ductal carcinoma in grovt kreft brystvevet (til venstre), men også små ( 1-3 mm) foci av ductal carcinoma
in situ
i grovt normalt brystvev, som ikke kan identifiseres i de enkelte DRS β-karoten (figur 7G) og IFS kollagen (figur 7 H) parameterkart. Dette tyder på at vevet skanneren har tilstrekkelig romlig oppløsning og spektral kontrast til å detektere små foci av kreft i kirurgiske marginer. Dette proof-of-concept eksperimentet legger grunnlaget for videre arbeid i mer omfattende klinisk karakterisering av instrumentet og sin søknad til intraoperativ vurdering av kirurgiske marginer for kreft i bryst og andre organsystemer.
Scatter tomt på avgjørelsen algoritmen ved hjelp av DRS β-karoten og IFS kollagen parametere for selektiv regioner i normale og kreft brystvev (A); Diagnostisk kart av normale og brystkreft vev ved hjelp av beslutningsalgoritme (B).
