Undersøgelse af gastrisk kræft i nøgne mus ved hjælp af X-ray in-line fasekontrast imaging

Undersøgelse af gastrisk kræft i nøgne mus ved hjælp af X-ray in-line fase kontrast imaging
Abstract
Baggrund
Dette papir er at rapportere den nye billeddannelse af gastriske cancere uden anvendelse af billeddannende midler. Begge gastrisk normale regioner og mavekræft regioner kan skelnes ved hjælp af principal komponent analyse (PCA) baseret på grå niveau samtidig forekomst matrix (GLCM).
Metoder
Menneskelig mavekræft BGC823 celler blev implanteret i maver af nøgne mus. Derefter, 3, 5, 7, 9 eller 11 dage efter cancerceller implantation, de nøgne mus blev aflivet, og deres maver blev fjernet. X-ray in-line fasekontrast billeddannelse (XILPCI), en X-ray fasekontrast billeddannelse metode, har større blødt væv kontrast end traditionelle absorption radiografi og genererer billeder med højere opløsning. De gastriske prøver blev afbildet med en XILPCIs 'charge coupled device (CCD) af 9. um billedopløsning. PCA af de projektive billeder 'region interesser (ROI'er) baseret på GLCM blev udtrukket til at diskriminere gastrisk normale regioner og mavekræft regioner. Forskellige stadier af gastrisk kræft blev klassificeret ved hjælp af support vektormaskine (SVMs).
Resultater
røntgen in-line fase kontrast billeder af nøgne mus gastriske prøver viser tydeligt mavens arkitekturer og detaljerne i tidlig gastrisk cancere. De fasekontrast computertomografi (CT) billeder af nøgne mus mavekræft prøver er bedre end de traditionelle absorption CT-billeder uden brug af billeddannende midler. Resultaterne af PCA af tekstur parametre baseret på GLCM af normale regioner (F 1 + F 2) > 8.5, men de af kræft regioner (F 1 + F 2) < 8.5. Klassificeringen nøjagtighed er 83,3%, at klassificere gastrisk enheder i forskellige stadier ved hjælp SVMs.
Konklusioner
Dette er en meget foreløbig forundersøgelse. Med yderligere research, kunne XILPCI blive en noninvasiv metode til fremtidig tidlig påvisning af gastrisk kræft eller medicinske undersøgelser.
Nøgleord
røntgen in-line fase kontrast imaging X-ray absorption imaging mavekræft Principal komponent analyse Support vektor maskine Baggrund
Kræft er verdens anden førende årsag til sygelighed. Mavekræft er en af ​​de hyppigste årsager til kræft-relaterede dødsfald i Asien [1]. Tidlig opsporing og tidlig behandling af gastrisk kræft er stadig i fokus i forebyggelse og behandling af kræft. X-ray traditionel billeddannelse af det menneskelige skelet giver billeder i høj opløsning, men at de menneskelige abdominale organer er meget dårlig. I de senere år har en ny billeddannelse metode, X-ray in-line fasekontrast billeddannelse (XILPCI) opstået. Denne billeddannende metode er hovedsageligt baseret på X-ray faseændring faktor efter et røntgenbillede passerer gennem objekter. XILPCI af bløde væv giver mikrometer rumlig opløsning.
Opdagelse Tidlig kræft afhænger hovedsagelig af radiografisk billeddannelse. De nuværende undersøgelsesmetoder af maver består hovedsagelig af CT [2-5], magnetisk resonans imaging (MRI) [4, 6], endoskopi [7, 8] og gas-barium dobbelt kontrast røntgen gastrointestinalgraphy [9, 10]. Billedopløsningen af ​​disse enheder er på millimeter-skala. Billedopløsningen, der kan opnås ved hjælp af røntgen fasekontrast billeddannelse (XPCI) er på den mikron-skala. X-ray faseskift er cirka 1000 gange større end ændringen i absorption. I øjeblikket er der en række internationale forskerhold foreslår forskellige kontrast imaging metoder. De mest almindeligt anvendte metoder bygger XPCI systemer omfatter røntgen interferometer [11-13], diffraktion forbedret billeddannelse [14-16], XILPCI [17, 18] og røntgen rivning interferometer [19].
Geografisk opløsning udtrykker magt til at løse fine strukturer. Density opløsning (dvs. kontrast opløsning) udtrykker subtile forskelle tæthed. I øjeblikket er den rumlige opløsning af mikro-CT har kan nå 2 um [20], og mikro-CT kan skelne et væv tæthed forskel på 0,01 g /cm 3 [21], men det billedopløsning på mikro-CT er stadig ved millimeter målestok uden anvendelse af billeddannende midler. MR giver god kontrast opløsning og rumlig opløsning af blødt væv, men MRI billedopløsning er kun på millimeter-skala. Den rumlige opløsning er begrænset af den magnetiske styrke MR og er vanskelig at yderligere stigning.
Øjeblikket tidlig påvisning af gastrisk kræft hovedsageligt afhængig af endoskopi og det bekræftes af en biopsi. Det billedopløsning på endoskopi er ca. 0,56 mm [22]. Patienterne følte smerte i processen med undersøgelsen, og der var risiko for perforering og blødning.
Gas-barium dobbelt kontrast X-ray gastrointestinalgraphy er en fælles klinisk redskab til at vurdere gastrointestinale betingelser. CO 2-barium er mest almindeligt anvendte på grund af højere sikkerhed og lavere pris. Før undersøgelsen, er nogle aerogenic pulvere taget mundtligt af patienter. Reaktioner mellem de tørre pulvere vil ikke finde sted, før de støder vand. Den mave-tarmkanalen vil blive udvidet med den producerede CO 2 gas. Efter et par minutter, patienterne tager oralt barium. CO 2-barium dobbelt kontrast røntgenbilleder kan ikke kun give optimal visualisering af slimhinder abnormiteter, men også evaluere tarmens peristaltiske funktion [9]. Imidlertid er fremgangsmåden forbudt at anvende, når en patient mistænkt for gastrointestinal perforation eller fuldstændig obstruktion. Billedopløsningen er i millimeter-skala. I processen med undersøgelse, skal patienterne modtage flere X-ray bestrålinger. Det er langsom til tom barium i patientens krop efter gennemgang.
XILPCI kombineres med CT, som giver billeder baseret på fase tomografi. Fasekontrast CT er også kendt som diffraktion CT [23] og er et potentielt nyttigt billeddannelse metode til bløde væv uden anvendelse af billeddannende midler. Den XILPCI billedopløsning på blødt væv kan nå 0,74 um uden anvendelse af billeddannende midler. Det øger nøjagtigheden af ​​påvisning og kan bruges til at observere tidlige kræft læsioner.
Metoder
Opsætning og prøver
Nude mus ikke besidder normale thymus og kun har thymus rester eller unormal thymus epitel, der ikke kan producere T-celler ved normal thymus epitel division. Lymfeknuder og milt lymfocytter fra nøgne mus er meget små, så nøgne mus er dyr besidder færre lymfocytter og nøgne mus også vise hud og hår atrofi og follikulær keratose. Generelt er nøgne mus anses for at være den tætteste humane genetiske model blandt laboratoriedyr til undersøgelse humane sygdomme. En række humane kræftformer er generelt i stand til at overleve i nøgne mus. På grund af deres immundefekt, behøver nøgne mus ikke afvise væv fra andre dyr. Derfor kan de anvendes som recipienter for transplantationen af ​​maligne humane cancere.
I den præ-test processen, både at simulere de fysiologiske forhold i de menneskelige maver og for at opnå klare billeder, fandt vi, at billedet var meget klart at opfylde kravene i vores eksperimenter, når vi anvendte mavens prøver renset ud af madrester og fyldt med luft. Derfor besluttede vi at bruge de luftfyldte gastriske prøver til de resterende eksperimenter.
Den nøgne mus var kvinder og vejer ca. 16 g i vores eksperimenter. I alt 36 nøgne mus blev tilfældigt inddelt i 6 grupper for vore forsøg og hver gruppe er 6 nøgne mus. En gruppe er nøgen mus normal gruppe, og de andre 5 grupper er nøgen mus mavekræft grupper. Den nøgne mus i nøgne mus gastrisk cancer grupper blev bedøvet med en intraperitoneal injektion af 0,72 mg (45 mg /kg) pentobarbital natrium. Efter at den var bedøvet, hver nøgen mus modtog en tværgående incision i sin abdomen. Maven blev ekstruderet, et indsnit blev lavet og humane gastriske cancer BGC823 celler [24] blev transplanteret i nøgne mus maven den. Derefter blev såret sutureres. Hver operation varede omkring 10 minutter. Efter cirka en time, den nøgne mus vågnede. Efter implantation af gastriske cancerceller blev 2 dage lov til at passere for at muliggøre eventuelle dyr immunreaktioner. Efter 3, 5, 7, 9 eller 11 dage blev nøgne mus aflivet, og maven på de nøgne mus blev fjernet. Maverne blev renset og fyldt i formalin. Spiserøret og duodenum nær maven blev separat trussed ved sutur. De gastriske prøver blev fikseret i en 10% formalinopløsning. Dyret Undersøgelsen blev godkendt af Experimental Animal etiske komité. Den kvalitetscertificering af dyr er Sheng Chan Xv Ke (SCXK Beijing) 2005-0004.
Princippet om XILPCI
Synkrotronstråling [25] er elektromagnetisk stråling, hvor ladede partikler accelereres til næsten lysets hastighed i et magnetisk felt ved Lorentz-kraften, når bevæger sig med variabel hastighed langs sporet tangenten retning. Som lyskilde, dens fordele er indlysende: brede bånd, høj kollimering, høj polarisering, høj renhed, høj lysstyrke, smal puls og høj kohærens. Synkrotronstråling har en høj grad af stabilitet, høj kapacitet og en mikro-beam diameter.
Den XILPCI eksperimenter blev udført ved anvendelse af BL13W1 beamline af Shanghai synkrotronstrålingsfacilitet (SSRF) [26]. Den BL13W1 beamline hovedsageligt producerede 2-dimensionelle billeder af biologisk væv ved hjælp XILPCI. Den BL13W1 beamline delvis facilitet af SSRF blev afbildet som figur 1. XILPCI også betegnes Fresnel diffraktion [27, 28] eller koaksial fase kontrast imaging. I 1995 A. Snigirev [29] anvendes en synkrotron lyskilde at opnå fasekontrast billeder. Den XILPCI metode kræver ikke tidsmæssig sammenhæng i lyskilden. Det kan anvendelse flerfarvede lyskilder, således at eliminere behovet for den besværlige kompleksitet monokrome systemet. Metoden kan direkte bruge mikro-fokus røntgen kilder i stedet for synkrotronstråling kilder. Denne fordel kan gøre XILPCI egnet til klinisk medicin i fremtiden. Figur 1 Billedet af BL13W1 beamline delvis facilitet SSRF. 1. En flerdimensional prøve tabel. Prøverne anbringes på prøven bordet til at rotere og prøver blev opnået i forskellige vinkler. 2. En X-ray CCD. Det opnåede prøver 'projektive billeder med høj opløsning. 3. Den præcise føringsskinne. Den kan styre den nøjagtige afstand fra CCD til modellerne.
Når et røntgenbillede går gennem en prøve, som i almindelig optisk kan komplekset brydningsindeks anvendes til at beskrive deres egenskaber. Brydningsindekset n er en lidt mindre end antallet af en, kan skrives som: n
=
1
-
δ
-
iβ
(1) Den reelle komponent δ repræsenterer fase; og imaginære del β betegner absorption sigt. δ er forbundet med fysisk faseskift sektion P; og β er forbundet med den lineære absorptionskoefficient af materialet μ. Forholdet mellem dem er som følger: δ
=
ρ
e
r
e
λ
2
2
π
,
β
=
μλ
4
π
(2) P
=
2
πδ
λ
,
μ
=
4
πβ
λ Hotel (3) λ er X-ray bølgelængde, ρ e er den elektron tætheden i materialet, r e er et klassisk elektron radius, og deres størrelse bestemmes af elektrontætheden af ​​objekters indvendige strukturer.
Når et røntgenbillede går gennem genstanden, dens fase og amplitude ændring. Faseændring bestemmes af δ, og amplitude dæmpning bestemmes af β. I røntgenstråler, for lettere grundstoffer (såsom C, H, O, etc.) af materialet, δ er 1000 gange mere end β, så faseændringen mængde er meget større end den mængde røntgen absorption dæmpningsændringen . Når et røntgenbillede bølgelængde er meget kort, for svage absorberende materiale, de små ændringer i densitet også kan producere forskydninger store fase og dermed opnår høj fasekontrast. Den rumlige opløsning af fase kontrast imaging kan nå mikron-skala og en meget fin mikrostruktur af et objekt kan observeres.
Når ensartede mellemliggende lysbølger passerer gennem en ujævn overflade objekt, de uundgåeligt generere ændringer fase, nemlig bølger 'forvrængning. Hvis distortion bølger fortsat spredes til en vis afstand, vil de forvridninger bølger interfererer med de ikke-distortion bølger. . Således kan det konkluderes, at opnå fase kontrast kræver en sammenhængende lyskilde og passende afstand fra lyskilden til modellen og fra prøven til detektoren
trin af XILPCI
Specifikke eksperimentelle metoder: den nøgne mus gastriske prøver indeholdende transplanteret human gastrisk cancer BGC823 celler blev udtaget fra formalin, omviklet med isoleringsmateriale og anbringes på prøven bordet.
vi fandt, at røntgenstrålen energi på 13 keV var egnet til afbildningseksperiment krav, gennem vi gentagne gange fejlrettet røntgen energi. Det vil gøre billederne for lyse, hvis energi er højere end 13 keV. Det vil gøre billedbehandling eksponeringstid stigning, hvis energi er lavere end 13 keV. Billeder vil blive mørke, hvis eksponeringstiden er for kort. Når vi øget eksponering tid, det tog os længere tid til at skyde mere end 1000 billeder for CT billede genopbygning. Gastric prøver vil blive ført til alvorlig deformation, hvis skuddet er for lang. Så 13 keV er en optimal parameter af omfattende faktorer. Afstanden fra lyskilden til modellen er længden fra SSRF røntgenkilde til mavens prøven på prøven bordet. Afstanden var 59,3 m. Detektoren var 85 cm afstand fra prøven, med 9 um billedopløsning og behandlingstid på 35-45 ms. Det tog cirka 20 minutter for at opnå XILPCI projektive billeder ved 0,1 grader skridt fra graden fra 0 til 180 en gastrisk eksemplar.
Trin af X-ray traditionelle absorption imaging
Traditionelle absorption CT-billeder af mavekræft prøver blev udført ved hjælp af SIEMENS Inveon Scannere og Inveon Acquisition Arbejdsplads med 1,5 service Pack. Mavekræft prøver blev sat på prøve bordet og eksperiment parametre blev fejlrettet i drift plads for at opfylde eksperiment krav. Den mindste opløsning af dette udstyr var 11 um. Energien af ​​røntgen- var 80 keV og 400 uA. Energi parametre har været udstyrets maksimale effekt. En gastrisk cancer prøve blev scannet ved at dreje 360 ​​°. Det nødvendige 967 s at scanne en mavekræft prøve og rekonstruere absorption CT-billeder på samme tid.
GLCM metode
Vi brugte ni grå niveau samtidig forekomst matrix (GLCM) tekstur karakteristika af kantede sekunder øjeblik (ASM) , inerti, inverse forskel øjeblik (IDM), entropi, korrelation, sum gennemsnit (SA), forskel gennemsnit (DA), sum entropi (SE), og forskel entropi (DE) [30]. Den GLCM er defineret som C ij
Kantet sekunder øjeblik formel:. T
1
=
Σ
i
=
0
K -
1
Σ
j
=
0
K -
1
C
ij
2 Hotel (4) Inertia formel: T
2
=
Σ
i
=
0
K -
1
Σ
j
=
0
K -
1
i -
j
2
C
ij Hotel (5) Inverse forskel øjeblik formel: T
3
=
Σ
i
=
0
K -
1
Σ
j
=
0
K -
1
1
1
+
jeg -
j
2
C
ij Hotel (6) entropi formel: T
4
= -
Σ
i
=
0
K -
1
Σ
j
=
0
K -
1
C
ij
log
C
ij Hotel (7) Marginal fordeling afledt GLCM. c
x
i
=
Σ
j
=
0
K -
1
c
ij Hotel (8) c
y
j
=
Σ
i
=
0
K -
1
c
ij Hotel (9) μ
x
, μ
y
, σ
x
, σ
y
henholdsvis repræsenterer middelværdien og standardafvigelsen for den marginale fordeling
angive gråtoner og sandsynligheden summen af ​​forskellen mellem i og j express som følger:. c
x
+
y
k
=
Σ
jeg
+
j
=
k
c
ij
k
=
0
,
1
,
2
,
⋯
,
2
K -
2 Hotel (10) c
x -
y
k
=
Σ
jeg -
j
=
k
c
ij
k
=
0
,
1
,
2
,
⋯
,
K
-
1 Hotel (11) Korrelation formel: T
5 fotos =
Σ
i
=
0
K -
1
Σ
j
=
0
K -
1
ij
C
ij
- PCA

Normal

3-days

5-days

7-days

9-days

11-days

F1
7.01 Både forfattere læst og godkendt den endelige manuskript.

• Alvorlig gastrisk variceal blødning på grund af milt-arterie trombose og konsekutiv arteriel bypass
• BRCA1 grundlægger mutationer ikke bidrager til øget risiko for mavekræft i den polske befolkning