PLoS ONE: Bærbar Optical Fiber Probe-Based Spektroskopiske scanner til Rapid Cancer Diagnose: et nyt værktøj til intraoperativ Margin Assessment

Abstrakt

Der er fortsat en betydelig klinisk behov for vurdering hurtig og pålidelig intraoperativ margen under kræft kirurgi. Her beskriver vi en bærbar, kvantitativ, optisk fiber sonde-baseret, spektroskopisk væv scanner designet til intraoperativ diagnostisk billeddannelse af kirurgiske margener, som vi testede i et proof of concept studie i humant væv for brystkræft diagnose. Vævet scanner kombinerer både diffus reflektans spektroskopi (DRS) og iboende fluorescens spektroskopi (IFS), og har hyperspektral imaging kapacitet, erhverve fuld DRS og IFS spektre for hver scannede billede pixel. Modellering af DRS og IFS spektre giver kvantitative parametre, der afspejler den metaboliske, biokemiske og morfologiske tilstand af væv, som er oversat til sygdomsdiagnose. Vævet scanner har høj rumlig opløsning (0,25 mm) over et bredt synsfelt (10 cm × 10 cm), og både høj spektral opløsning (2 nm) og høj spektral kontrast, let at skelne væv med vidt forskellige optiske egenskaber (knogler, skeletmuskel, fedt og bindevæv). Tissue-simulerer phantom eksperimenter bekræfter, at vævet scanneren kvantitativt kan måle spektrale parametre, såsom hæmoglobinkoncentration i et fysiologisk relevante område med en høj grad af nøjagtighed ( 5% fejl). Endelig undersøgelser med humane brystvæv viste, at vævet scanneren kan detektere små foci af brystcancer hos en baggrund af normalt brystvæv. Dette væv scanner er enklere i design, billeder et større synsfelt ved højere opløsning og giver en mere fysisk meningsfuld væv diagnose end andre spektroskopiske billeddannende systemer i øjeblikket rapporteret i litteraturen. Vi mener, at dette spektroskopiske væv scanner kan give real-time, omfattende diagnostisk billeddannelse af kirurgiske margener i udskårne væv, overvinde prøveudtagning begrænsning i den nuværende vurdering histopatologi margin. Som sådan er det et vigtigt skridt i udviklingen af ​​en platform teknologi til intraoperativ forvaltning af kræft, et klinisk problem, der er blevet utilstrækkeligt behandlet til dato

Henvisning:. Lue N, Kang JW, Yu CC, Barman I , Dingari NC, Feld MS, et al. (2012) Bærbar Optical Fiber Probe-Based Spektroskopiske scanner til Rapid Cancer Diagnose: et nyt værktøj til intraoperativ Margin Assessment. PLoS ONE 7 (1): e30887. doi: 10,1371 /journal.pone.0030887

Redaktør: Tarl Wayne Prow, University of Queensland, Australien

Modtaget: September 1, 2011; Accepteret: December 22, 2011; Udgivet: 27 januar, 2012 |

Copyright: © 2012 Lue et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Denne forskning blev støttet af National Institutes of Health National center for Research Resources (P41-RR02594 og S10-RR031845) og National Cancer Institute (R01-CA97966 og R01-CA140288) og af Tissue indkøb, Histologi og Immunhistokemi Core Facility for Case Omfattende Cancer center (P30 CA43703). De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre eller tilberedning af manuskriptet

Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklæret, at der ikke konkurrerende interesser findes

Introduktion

Hurtig og pålidelig intraoperativ væv diagnose er en kritisk komponent i succesrig cancer kirurgi i forskellige organsystemer. Men der eksisterer fortsat en betydelig klinisk behov for vurdering af udskårne kirurgiske prøver hurtig og pålidelig intraoperativ margin. I øjeblikket er vurderingen intraoperativ margen udført af Besigtigelse og palpering, efterfulgt af selektiv vurdering af eventuelle mistænkelige områder ved hurtig histologi eller cytologi vurdering, som kan være tidskrævende og unøjagtig på grund af begrænset prøveudtagning. Det er ikke usædvanligt, at resultatet af denne patologisk vurdering margen til at komme efter det kirurgiske sår lukkes, og patienten flyttes til opvågningsstuen. Yderligere er der hyppige uoverensstemmelser mellem vurderingen selektiv intraoperativ og mere omfattende postoperative patologi margin, der nødvendiggør reoperation for at opnå negative marginer. I brystbevarende operation, for eksempel, re-operation for positive margener opdaget efter operationen kræves op til 50% af tilfældene [1]. Desuden brystkræft vender tilbage lokalt i den kirurgiske seng i ~ 10% af patienterne med negativ marginer på postoperative patologi margin beregningsgrundlag [2], som, mens mere omfattende end intraoperativ patologi vurdering, er stadig genstand for begrænsninger prøvetagning. Intraoperativ vurdering af kirurgiske margener er således et vigtigt skridt i kirurgisk behandling af kræft, der er blevet utilstrækkeligt behandlet til dato. Udfordringen i håndteringen dette behov er at udvikle et billeddannende system med en bred nok synsfelt på billedet store kirurgiske prøver med høj nok opløsning til at registrere små foci af kræft på den kirurgiske margin i en klinisk anvendelig tidsramme.

Optisk fiber sonde-baserede diffus reflektans spektroskopi (DRS) og iboende fluorescens spektroskopi (IFS) er ved at blive aktivt forfølges som værktøjer til tidstro diagnose af kræft [3], og har fordele i forhold til andre tilgange til intraoperativ og omfattende vurdering af kirurgiske margener . DRS og IFS afhænger af de iboende optiske egenskaber af væv, og som sådan, ikke kræver exogen billeddannende prober eller kontrastmidler. Kombinationen af ​​DRS og IFS giver oplysninger om den metaboliske, biokemiske og morfologiske tilstand af væv, som kan oversættes til sygdomsdiagnose. DRS og IFS har relativt lavt (≤1 mm) væv penetration, og dermed afhøre kun margenen af ​​det udskårne vævsprøve. I modsætning til traditionelle patologi diagnose, kan spektroskopisk diagnose udføres i realtid. Spektroskopiske teknikker er også kvantitativt og dermed mere objektiv end den traditionelle tilgang, som er genstand for patolog fortolkning. Imidlertid konventionelle optiske fiber probebaserede spektroskopiteknikker kun undersøge et lille område af væv (~ 1 mm) på et tidspunkt, og så kan lide af under prøvetagning og let gå glip læsionen af ​​interesse. Spektroskopiske billeddiagnostiske teknikker [4] – [9]. Kan undersøge hele margin af de udskårne vævsprøve, og så er ikke tilbøjelige til begrænsningerne prøvetagning iboende i traditionel patologi eksamen

Her præsenterer vi en bærbar, kvantitativ, optisk fiber sonde-baseret, spektroskopisk væv scanner, der kan give real-time omfattende vurdering af kirurgiske margener i udskårne vævsprøver. Scanneren fremmer vores optiske fiber sonde-baserede spektroskopi instrumenter [10], [11], der med succes er blevet anvendt i kliniske studier til diagnosticering af oral, esophageal, livmoderhalskræft og brystkræft [12] væsentligt – [15], til en bredt felt, høj opløsning billeddannelse regime som krævet for at være et effektivt klinisk redskab til vurdering intraoperativ margin på cancer kirurgi. Dette væv scanner er enklere i design, billeder et større synsfelt ved højere opløsning og giver en mere fysisk meningsfuld væv diagnose end andre spektroskopiske margin billeddannende systemer under udvikling. Samlet set kan det væv scanner give hurtige og præcise, diagnostiske billeder af hele margin på udskårne kirurgiske prøver, overvinde prøveudtagning begrænsning i den nuværende vurdering patologi margin. Vi tror vævet scanner er en platform-teknologi, der har potentialet til at levere real-time, omfattende, intraoperativ vurdering af kirurgiske margener, der vil give mere komplet resektion af sygt væv og bedre bevarelse af normalt væv ved operation for brystkræft og andre solide tumorer .

Materialer og metoder

Instrumentering

En bærbar væv scanner blev bygget, der kan scanne store vævsprøver (op til 20 cm × 20 cm) med høj opløsning (0,25 mm ) i en klinisk acceptabel tidsramme (mindre end 20 minutter til 8 cm × 8 cm område og 0,25 mm opløsning). Figur 1 viser et skematisk diagram og fotografier af vævet scannerenheden. Scanneren beskæftiger enhedsstat multimodale optiske fibre sonder, som vi med succes har ansat i et multimodalt klinisk spektroskopi-system [10] til punkt spektroskopi målinger. To optiske fibre prober anvendes, en for DRS og en anden for IFS, til en fast adskillelse på 0,75 cm til at minimere krydstale mellem to prober. Hver sonde består af en fiber bundle med en enkelt central fiber, der leverer excitation lys til vævet, omgivet af en ring af flere fibre, der indsamler reflekteret og fluorescerende lys vender tilbage fra prøven og overfører den til spektrograf (alle fibre har 200 um kerne og NA = 0,22), afsluttet med en gennemsigtig, beskyttende optisk skjold. I denne undersøgelse blev kun en af ​​de indsamlings- fibre anvendt i hver probe. En 75 W Xenon buelampe (Oriel Instrument, USA) anvendes til at generere excitationslys for DRS og en 7 mW Q-switched solid state laser ved 355 nm (SNV-40F-000, Teem Photonics) til generering excitationslys for IFS. Denne bølgelængde blev valgt baseret på de tidligere IFS studier af brystcancer [15]. Men dette er en platform-teknologi, der let kan anvendes med andre excitationsbølgelængder for andre diagnostiske anvendelser. Signaler indsamles med miniature spektrometre (USB2000 +, Ocean Optics). De spektrometre har spektral opløsning på 2 nm ved fuld bredde halv maksimum (FWHM). Den brede område imaging kapacitet opnås ved mekanisk scanning optiske sonder med en lang rejse rækkevidde, XY oversættelse scenen og stepmotorer (Applied Motion Products, mikro stepper motor: 17-075 og driver: 3540i) i en omvendt geometri gennem en standard glasplade (20 cm × 30 cm × 0,16 cm), som prøven hviler. Der er ingen interferens fra glas fluorescens med biomolekylære fluoroforer af interesse: kollagen og NADH. Glaspladen flader vævsoverfladen og giver en rimelig ensartet probe-væv billeddannelse afstand. Dette giver os mulighed for at lave kvantitative målinger, ved at bevare de vigtigste optiske egenskaber af sonden (spot størrelse og NA), og drage fuld fordel af vores klinisk dokumenteret, probe-baserede spektroskopiske modeller [12] – [15], hvilket ikke ville være anvendelse på data indhentet med en ledig plads imaging system. Excitationsstråle pletstørrelse ved overfladen af ​​en vævsprøve sidder på glaspladen skønnes at være 1 mm. Labview 8.6 (National Instrument, TX) styrer raster scanning ved kommanderende XY scenen gennem PC serielle porte og de spektrale opkøb data. Samlede scanningstid for vævsprøven afhænger af valget af parametre såsom strøm til magnetisering, integrationstid, rumlige opløsning, synsfelt, etc., som kan justeres efter vævstype og klinisk behov. Bemærk, at den samlede scanningstid omfatter timing svar til start /stop og vende stepmotorer. Den bærbare enhed måler 60 cm x 30 cm x 30 cm, vejer 13,6 kg og kan let passer i de fleste kliniske områder, herunder patient undersøgelsesrum, procedure værelser og operationsstuer.

Skematisk diagram af vævet scanner og fotografier af enheden fra forskellige synspunkter.

Databehandling

DRS og fluorescens spektre (350-700 nm) er opnået for hver plet scannet. Efter baggrund subtraktion og normalisering med 20% Spectralon hvid reflektans standarder (Labsphere, NH), er DRS spektre analyseres ved anvendelse af en matematisk model baseret på diffusion tilnærmelse af lys formering i væv [16]. IFS spektre fås derefter, ved at korrigere den rå fluorescens spektre for virkningerne af vævsabsorption og spredende anvendelse af det tilsvarende DRS spektre [17] – [18], og analyseret ved anvendelse af en lineær kombination model baseret på multivariate kurve opløsning (MCR), en standard kemometriske metode [15]. Spectral modellering giver fysisk meningsfulde montering parametre, der er kvantitative foranstaltninger bidragene fra bestemte væv komponenter. Disse spektrale parametre er grundlaget for beslutningsprocesser algoritmer, der anvendes ved diagnosticering af brystkræft [15] og andre kræftformer [12] – [14]. DRS modellering udbytter 3 scattering parametre: A, som er relateret til mængden af ​​Mie spredere; B, som er relateret til størrelsen af ​​spredere; og C, som er relateret til mængden af ​​Rayleigh spredere; og absorption montering parametre for hæmoglobin (Hb) og β-caroten, to velkarakteriseret absorbenter i brystvæv. IFS modellering udbytter fluorescens montering parametre relateret til NADH, en cellulær metabolit, og kollagen, en fluorofor, der er mere rigelige i den fibrøse stroma af brystkræft end i normalt brystvæv. Salg

DRS og IFS datakuber, dvs. tre dimensionelle arrays af billedet XY koordinater og bølgelængde, opnås under hver scanning. De overlappende områder bliver derefter co-registreret, uden behov for komplekse matematiske transformation undtagen simpel flytning af XY registrere i erhvervede pixels, som tidligere blev opnået fra den relative position af sonden under kalibrering. Ved registrering af DRS og IFS probe positioner, kan vi nemt samle 2D kvantitativ hyperspektral DRS og IFS intensitet kort over det scannede vævet overflade. Spektrene derefter modelleres og spektrale tilpasningsparametrene udvundet på pixel-for-pixel basis for at skabe kvantitative parameter maps. Væv diagnose kan også gøres ved hjælp af en parameter-baserede beslutning algoritme til at skabe diagnostiske kort. Specifikt for undersøgelser brystvævet, en tidligere udviklet DRS-IFS diagnostisk algoritme [15] blev anvendt på montering parametre på en pixel-for-pixel, og hver pixel tildeles en diagnose af normalt bryst eller brystkræft, at opbygge en falsk farve diagnostisk kort over det scannede vævsoverfladen. Øjeblikket data behandles offline, og kan tage op til et sekund pr datapunkt til model fitting. Vi forestiller os, at real-time (on-the-fly) databehandling kan udføres ved at inkorporere banebrydende machine learning algoritmer, der for nylig er blevet undersøgt for spektroskopiske modaliteter af flere laboratorier, herunder vores egen [19] – [22]

.

væv simulerer fantomer

Tissue-simulering flydende fantomer blev fremstillet af forskellige blandinger af intralipid (Invitrogen), hæmoglobin (Hb) (Sigma Aldrich) eller blod, og furan (Sigma Aldrich) at validere kvantitativ ekstraktion af væv absorption og fluorescens egenskaber fra de spektrale data opnået med scanneren. Selvklæbende O-ringe med en indre diameter på 1 cm blev anbragt på glaspladen til at holde dråber af de flydende fantomer på plads. Ved hjælp af en mikroliter pipette blev 200 pi af hver flydende phantom omhyggeligt placeret i O-ringene, dannelse af smådråber ~2.5 mm. Spectralon standarder (10% og 20%) er ligeledes placeret i synsfeltet, og blev anvendt til at normalisere de spektrale data. Spectra opnået fra hver plet i hver phantom blev midlet.

Animal væv

Et væv undersøgelse dyr blev udført for at demonstrere høj opløsning wide-field hyperspektral imaging kapacitet og spektral kontrast til at skelne vævsstrukturer med varierende optiske egenskaber. Som dyret væv, der anvendes blev opnået fra en kommerciel kilde, en købmand (Shaws Supermarked, Lynn MA), investigator havde nogen direkte eller indirekte kontrol over procedurer eller eutanasi pre-mortem, og de arbejdsmedicinske risici er nul, Institutional Animal Pleje og brug Udvalg (IACUC) ved Massachusetts Institute of Technology og på Case Western Reserve University ikke kræver en protokol. En ren-cut tværsnit af en ufikserede, frosne-optøede porcine nedre ben vævsprøve (~ 10 cm i diameter) blev anvendt. Før placere vævssnittet på glaspladen til scanning, blev det fugtet med normalt saltvand. Porcint underbenet væv blev anvendt til denne undersøgelse, da det har mere anatomiske detaljer kræver høj opløsning billeddannelse og en bredere vifte af vævstyper med mere varierede optiske egenskaber end brystvæv.

Menneskelig brystvæv Salg

En humant væv blev udført for at demonstrere evnen af ​​vævet scanner til brystkræft diagnose. Undersøgelsen blev foretaget under en kasseret væv protokol med et afkald på informeret samtykke patient godkendt af University Hospitals Case Board Medical Center Institutional Review og MIT Udvalget om brug af mennesker som forsøgspersoner. En parret sæt af fikserede, frosne brystvæv, en groft kræft og anden matchede groft normalt brystvæv fra den samme patient, blev opnået fra sag Omfattende Cancer Center Menneskelig Facility vævsudtagningen til scanning på vævet scanneren. Vævene blev afsendt nedfrosset på tøris og optøet ved stuetemperatur før scanning. At undgå dehydrering blev vævene fugtet med en lille mængde normalt saltvand. Vævene blev anbragt side om side på scannerens glasplade. Efter scanning blev vævsoverflader scannede markeret med farvede kolloide blæk for at bevare orientering, fikseret i 10% neutral bufret formalin, behandlet og indlejret i paraffin, og hematoxylin og eosin farvede vævssnit forberedt til mikroskopisk undersøgelse af en erfaren bryst patolog ved University Hospitaler Case Medical center, til sammenligning med de spektroskopiske imaging resultater.

resultater

En række undersøgelser blev udført for at teste systemets ydeevne. En resolution mål blev brugt til at demonstrere den billeddannende evne og afprøve rumlig opløsning af systemet. En serie af væv-simulering flydende fantomer blev brugt til at validere kvantitativ ekstraktion af væv egenskaber fra reflektans og fluorescens spektrale data. Desuden blev animalsk væv anvendes til at illustrere hyperspektral imaging evne af systemet og demonstrere spektral kontrast at skelne væv med forskellige spredningsretninger og absorptionsegenskaber. Endelig blev normale og cancer væv fra en brystkræft patient bruges til at demonstrere anvendeligheden af ​​vævet scanner som en vurdering kræft margin-enhed.

Rumlig opløsning

I DRS resolution target eksperiment, en positive multi-frekvens grid forvrængning mål (NT46-250, Edmond Optik, figur 2A) blev anbragt med forsiden nedad på glaspladen, og en DRS scanning opnået fra en 2,5 cm x 2,5 cm med excitation magt 200 mW, integrerer tid 10 millisekunder , rumlig eller billede pixel opløsning 0,25 mm. Samlede erhvervelse tid for DRS billedet var mindre end 10 minutter. Ved 500 nm bølgelængde, de mindste dot funktioner trykt i målet, 250 mikrometer i diameter, kan løses som vist på tilfældigt udvalgte DRS billede ved 510 nm i figur 2B. Lignende resolution blev også fundet for IFS scanning. I dette eksperiment blev en dråbe af furan (0,8 ug /ml) og Intralipid (1%) blev anbragt inden i en O-ring på glaspladen, en fluorescens linjescanning erhvervet tværs dråben, og kanten respons [23] målt ved 425 nm, hvilket gav en IFS opløsning på 250 mikrometer (10% til 90% overgang). Disse undersøgelser viser, at vævet scanneren kan billede et stort synsfelt med sub-millimeter opløsning.

Et billede af målet opløsning (A) og en tilfældigt udvalgte 2D 2,5 cm x 2,5 cm DRS spektrale intensitet kort over zoomede mål ved 510 nm (B); en grov fotografi af porcin underbenet væv tværsnit, der blev scannet (C); et fotografi af afsnittet med vævet indlæg på glaspladen under scanningen (D); og 9 cm × 9 cm DRS billeder af vævet tværsnit ved forskellige bølgelængder (E-H). Bemærk, at farven bar er for alle DRS billeder og er i vilkårlige enheder.

Synsfelt og spektral kontrast

Dernæst et clean-cut tværsnit af en frossen-optøet porcine nedre ben vævsprøve (~ 10 cm i diameter) blev anvendt til at påvise scanning af store synsfelter og spektral kontrast til at skelne vævsstrukturer med forskellige optiske egenskaber (Figur 2C). Efter anbringelse på glaspladen (figur 2D), blev DRS scanninger udført med excitation power 250 mW, integrationstid 50 millisekunder og rumlig opløsning 0,5 mm. Samlede erhvervelse tid for DRS billedet var 30 minutter. Figur 2E viser DRS spektral intensitet maps erhvervet med scanneren på udvalgte bølgelængder. Den DRS spektrale intensitet kort ved 487 nm var optimal til at skelne vævstyper med vidt forskellige optiske egenskaber i dette væv, herunder knogler, skeletmuskulatur, fedt og bindevæv. Denne biologiske væv undersøgelse viser, at vævet scanneren kan billedet et stort synsfelt med både høj rumlig opløsning og spektral kontrast til at skelne væv med forskellige optiske egenskaber.

Kalibrering og validering af kvantitative målinger

femten flydende væv simulerer fantomer sammensat af en 2% intralipid opløsning og forskellige mængder af Hb pulver til simulering brystvæv spredning og absorption, blev fremstillet og anvendt til DRS kalibrering. DRS scanninger blev udført med excitation magt 150 mW, integrerer tid 100 millisekunder og rumlig opløsning 0,5 mm. Hb-koncentrationen er størst i den første fantom (# 1) og sidste fantom (# 15), og gradvist falder fra phantom 1 til phantom 14. En 2D DRS scannet billede af fantomer og Spectralon standarder på en tilfældigt valgt bølgelængde (490 nm) er vist i figur 3C. Som forventet reflektansen signalintensiteten var omvendt proportional med Hb-koncentration (på grund af Hb absorption). Det vil sige, reflektansen signal er den laveste i fantomer # 1 og # 15, og stiger med faldende Hb koncentration fra phantom # 1 til fantom # 14. Figur 4A viser en DRS spektrum af et fantom med 1,8 mg /ml Hb sammen med dens tilsvarende model fit og resterende. Figur 4B viser Hb koncentration beregnet ud fra den gennemsnitlige fantom DRS spektre, som viser fremragende aftale med de faktiske phantom Hb koncentrationer (error≤5%). Alle beregnede sprednings-relaterede parametre var konstant i alle prøver. Yderligere eksperimenter med konstant Hb-koncentration og varierende intralipid spreder koncentration viste de beregnede scattering parametre var proportional med intralipid fusion (data ikke vist). Resultaterne af disse flydende fantom eksperimenter bekræfter, at vævet scanneren nøjagtigt kan måle et fysiologisk relevante område af DRS absorption og spredning parametre over et stort scanning synsfelt.

Femten flydende fantomer sammensat af 2% intralipid og varierende Hb koncentrationer i hætteglas (A); O-ringe fyldt med flydende fantomer og Spectralon standarder (10% og 20%) på glaspladen, med scanning synsfelt mærket med gult bånd (B); 2D DRS scanning af de fantomer og Spectralon standarder på 490 nm (synsfelt = 10 cm × 10 cm) (C).

DRS spektre fra en flydende fantom med 1,8 mg /ml Hb (blå ), svarende model fit (rød) og resterende (sort) (A); Søjlediagram, der viser de Hb koncentration kurve resultater (B).

For IFS validering blev fire flydende væv simulerer fantomer anvendt, bestående af to replikater hver af en 1% intralipid løsning med to forskellige koncentrationer af menneskelig blod og furan (0,3 og 0,8 ug /ml), som har stærk fluorescens i 400-450 nm-regionen (tabel 1). Bemærk, at en tap-prick blodprøve blev anvendt i stedet for Hb pulver for at tilvejebringe yderligere biokemiske fluoroforer og spredere med til at teste DRS korrektion af fluorescensen spektre for virkningerne af spredning og absorption. IFS scanninger blev udført med magnetiseringseffekt på 1,5 mW og integrere på 10 millisekunder. Hb-koncentrationer i de to sæt af replikat fantomer blev bestemt fra DRS data og fundet at være 3,60 ± 0,20 og 0,33 ± 0,03 mg /ml. Figur 5A viser, at DRS spektre af de 4 fantomer varierer primært med Hb-koncentration, hvorimod IFS spektre vist i figur 5B er stort set uafhængig af Hb-koncentration og afhænger af koncentrationen af ​​furan. Resultaterne af disse flydende fantom eksperimenter bekræfter, at vævet scanneren nøjagtigt kan måle fluoroforer i en variabel baggrund af absorption og spredning over et stort scanning synsfelt.

DRS (a) og IFS spektre (b) af fantomer med varierende furan fusion (phantom 1 og 2 furan = 0,8 ug /ml); fantom 3 og 4 furan = 0,3 mikrogram /ml).

Normalt og kræft brystvæv imaging

For at demonstrere evne til scanneren for at identificere menneskelige brystkræft væv, en parret sæt af frosne-optøede brystvæv, en groft kræft og anden matchede groft normalt brystvæv fra den samme patient, blev anbragt side om side på scannerens glasplade så tæt sammen som muligt for at minimere mellemrummet mellem vævene ( Figur 6A-B). DRS og IFS scanninger blev udført ved samtidigt at scanne 3 cm x 3 cm område af interesse, under anvendelse af separate DRS og IFS prober med en probe adskillelse af 0,75 cm og rumlig opløsning på 0,25 mm per pixel. Excitation magt og integrere tid var 400 mW og 10 millisekunder for DRS, og 1,5 mW og 10 millisekunder for IFS scanning. Samlet erhvervelse billede tid for 150 × 150 pixels var 18 minutter. 2D kvantitativ DRS og IFS spektrale intensitet kort blev oprettet. Den DRS og IFS spektre blev derefter modelleret og montering parametre udvundet at danne 2D kvantitative parameter kort til sammenligning med patologi

Diagram over normale og brystkræft væv placeret på glasplade under scanningen (A).; Gross fotografi af brystvæv (B); Composite mikrofotografi af histopatologi af brystvæv (C) (øverste indsats: duktalt karcinom

in situ

; bund indsats: invasive duktalt carcinom); DRS (D) og IFS (E) spektre af bryst væv.

Resultater af patologi undersøgelse (figur 6C) bekræftede, at groft kræft væv består hovedsagelig af brystkræft (invasiv duktalt karcinom). Interessant nok groft normalt brystvæv, selv set mikroskopisk at bestå hovedsagelig af normalt brystvæv, indeholdt multiple foci af brystcancer (duktalt carcinom

in situ

) 1 til 3 mm i diameter. DRS og IFS spektre opnået fra scanneren billedpixel besat af brystkræft og normalt brystvæv (figur 6D-E) er de samme som vi opnåede under anvendelse af lignende prober optiske fibre i en ikke-billeddannende multimodalt spektroskopi-system [15]. Men selv om enkelte 2D DRS og IFS spektral intensitet kort demonstrere spektral kontrast og har den fornødne kemiske oplysninger indlejret i dem, de ikke af sig selv pålideligt skelne normalt brystvæv af brystkræft (Figur 7A-B).

DRS spektrale intensitet kort over normale og cancer væv ved 545 nm (A); IFS spektrale intensitet kort ved 425 nm (B); DRS parameter kort til spredning parametre A, B og C, Hb og β-caroten, hhv. (C-G); IFS parameter kort for kollagen (H).

For at eksplicit at skelne mellem kræft og normalt brystvæv, vi ansat fysisk-kemiske montering parametre udtrukket fra DRS og IFS spektre. I alt syv parametre blev ekstraheret fra spektrene og anvendt til at karakterisere det væv: fem DRS parametre (A, B, C, Hb og β-caroten) og to IFS parametre (kollagen og NADH). Figur 8 er en grafisk repræsentation af den gennemsnitlige og standardafvigelsen for disse spektrale parametre for normale og cancer brystvæv. Resultaterne viser, at det normale væv har klart forskellige middelværdier for spredning, absorption og fluorescens parametre end cancervævet, og statistisk t-test-analyse viser, at disse forskelle er signifikante for alle parametre på 99% fortrolige niveau (tabel 2). Specifikt højere værdier af A, C, B-caroten og NADH parametre fundet i normalt brystvæv, mens højere værdier af B, Hb og kollagen parametre findes i brystkræft væv. De højere værdier af C parameter er i overensstemmelse med den forøgede størrelse af tumor cellekerner, og som et resultat kerne-til-cytoplasmatisk forhold, karakteristisk for brystcancer (både invasiv duktal carcinom og duktalt carcinom

in situ

) [24]. De højere værdier af Hb og collagen parametre er også i overensstemmelse med tilstedeværelsen af ​​angiogenese og stromal fibrose, hhv., Typisk ses i brystkræft.

Søjlediagram af pixel-til-pixel betyder DRS og IFS parametre i normale og brystkræft væv.

som med DRS og IFS spektrale intensitet maps, ikke de enkelte DRS og IFS parameter kort gøre af sig selv pålideligt skelne normalt brystvæv af brystkræft (fig. 7 C-H). Imidlertid kunne normalt brystvæv pålideligt skelnes fra brystkræft i vævet scanner billederne ved at ansætte en beslutning algoritme baseret på en kombination af DRS og IFS parametre, der er udviklet i vores tidligere punkt sonde undersøgelse [15]. I denne algoritme er de IFS kollagen og DRS β-caroten parametre anvendes til at skelne normalt brystvæv fra alle brystlæsioner herunder fibrocystisk forandring, fibroadenom og cancer. Da dette eksperiment omfatter kun normal og kræft brystvæv, bør samme algoritme giver tilstrækkelig diagnostisk diskrimination, hvis det kan overføres (dvs. er robust). Parameteren scatter plot for DRS β-caroten og IFS kollagen parametre og diagnostisk kort baseret på disse 2 parametre i Figur 9 viser, at DRS-IFS algoritme er faktisk overdrages og er tilstrækkelig til at adskille de vævstyper i dette tilfælde. Repræsentative datapunkter blev tilfældigt udvalgt fra de to vævsområder for parameteren scatter plot vist i figur 9A. Den diagnostiske kortet i figur 9B identificeret ikke kun den store fokus for invasive duktalt karcinom i groft kræft brystvæv (til venstre), men også små ( 1 til 3 mm) foci af duktalt karcinom

in situ

i groft normalt brystvæv, som ikke kan identificeres i de enkelte DRS β-caroten (figur 7G) og IFS collagen (figur 7H) parameter maps. Dette antyder, at vævet scanneren har tilstrækkelig rumlig opløsning og spektral kontrast til påvisning lille foci af kræft i kirurgiske margener. Denne proof-of-concept forsøg danner grundlag for det videre arbejde i mere omfattende klinisk karakterisering af instrumentet og dets anvendelse på intraoperativ vurdering af kirurgiske margener for kræft i bryst og andre organsystemer.

Scatter plot af beslutning algoritme, der anvender DRS β-caroten og IFS collagen parametre til selektive regioner i normale og cancer brystvæv (A); Diagnostisk kort over normale og brystkræft væv under anvendelse beslutningen algoritme (B).