Brug af en skrå indfaldende laserstråle til at måle de optiske egenskaber af maveslimhinden /submucosavæv

Brug en skrå indfaldende laserstråle til at måle de optiske egenskaber af maveslimhinden /submucosa væv
Abstract
Baggrund
Formålet med undersøgelsen er at bestemme de optiske egenskaber og deres forskelle for normal menneskelig maveslimhinden /submucosa væv i hjertets åbning in vitro
ved 635, 730, 808, 890 og 980 nm bølgelængder af laser.
Fremgangsmåder Salg målingerne blev udført ved anvendelse af et CCD-detektor, og de optiske egenskaber blev vurderet ud fra målingerne ved hjælp af det rumligt løst reflektans, og ikke-lineær montering af diffusion ligning.
resultater
resultaterne af målingen viste, at absorptionskoefficienterne, de reducerede scattering koefficienter, de optiske penetration dybder, de diffusionskoefficienter, den diffus reflektans og forskydninger af diffus reflektans af vævsprøver ved fem forskellige bølgelængder varierer med en ændring af bølgelængden. Den maksimale absorptionskoefficient for vævsprøver er 0,265 mm -1 ved 980 nm, og den mindste absorptionskoefficient er 0,0332 mm -1 ved 730 nm, og den maksimale forskel i absorptionskoefficienter er 698% mellem 730 og 980 nm, og den mindste forskel er 1,61% mellem 635 og 808 nm. Den maksimale reducerede spredning koefficient for vævsprøver er 1,19 mm -1 ved 635 nm, og den minimale reduceret spredning koefficient er 0,521 mm -1 ved 980 nm, og den maksimale forskel i de reducerede sprednings- koefficienter er 128% mellem 635 og 980 nm, og den mindste forskel er 1,15% mellem 890 og 980 nm. Den maksimale optiske indtrængningsdybde for vævsprøver er 3,57 mm ved 808 nm, og den mindste optiske indtrængningsdybde er 1,43 mm ved 980 nm. Den maksimale diffusion konstant for vævsprøver er 0,608 mm ved 890 nm, og den mindste udbredelse konstant er 0,278 mm ved 635 nm. Den maksimale diffus reflektans er 3,57 mm -1 ved 808 nm, og den mindste diffus reflektans er 1,43 mm -1 ved 980 nm. Den maksimale forskydning Ax af diffus reflektans er 1.11 mm -1 ved 890 nm, og den mindste forskydning Ax af diffus reflektans er 0,507 mm -1 ved 635 nm.
Konklusion
Den absorptionskoefficienter, de reducerede spredningskoefficienterne, de optiske indtrængningsdybder, diffusionskoefficienterne, den diffuse reflektans og forskydninger af diffus reflektans af vævsprøver ved 635, 730, 808, 890 og 980 nm bølgelængder varierer med en ændring af bølgelængden. Der var signifikante forskelle i de optiske egenskaber til vævsprøver på fem forskellige bølgelængder (P
< 0,01).
Baggrund
Kendskab til optiske egenskaber for de menneskelige mave slimhinde /submucosa væv i det synlige og nærinfrarøde (NIR) bølgelængdeområde er af stor betydning i medicinske anvendelser ved hjælp af lys [1, 2], for eksempel laser koagulation til behandling af tidlig mavekræft med intramucosal invasion, laser ablation terapi af det submukøse gastrisk cancer [3], fotodynamisk ablation terapi af tidlige cancere i maven [4], gastrointestinal (GI) diagnose af standarden hvidt lys endoskopi (WLE) og endoskopisk diagnosticering af præmaligne gastrointestinale læsioner efter fluorescens endoskopisk billeddannelse og spektroskopi [5-7], og den nyligt udviklede optiske kohærenstomografi (OLT) [8-10] er blevet rapporteret til afbildning af GI væv in vitro og in vivo [11-13]. På grund af mere end 85% af alle cancertilfælde oprindelse i epiteler foring de indvendige overflader af det menneskelige legeme. Størstedelen af ​​sådanne læsioner er let behandlelige hvis diagnosticeret på et tidligt stadium [14]. Bortset fra konventionelle metoder til kræft diagnose [15-17], er der et behov for at udvikle nye metoder, der er enkle, objektive og ikke-invasiv.
Brugen af ​​optiske teknikker til gastrointestinale diagnostiske formål er afhængig af evnen til at måle den optiske egenskaber af gastrointestinal væv. I de senere år har en stigende gruppe forskere været interesseret i IONISERENDE, nær-infrarødt (NIR) tilgange til detektering og billedbehandling syge væv. De foreslåede teknikker spænder fra kontinuert bølge [18, 19] til frekvens-domæne [20, 21] eller tid-afhang målinger af spredt lys [22, 23]. Disse teknikker er baseret på bestemmelse af optiske egenskaber spredende medier. De optiske egenskaber er repræsenteret ved absorptionskoefficienten μ a, spredningen koefficienten μ s og anisotropi faktor g. eftersom optisk detektion og optisk afbildning er baseret på selektive forskelle består optiske egenskaber af sunde og patologiske væv, er det særligt vigtigt at diagnostisk formål. For eksempel har Laser-induceret autofluorescens (LIAF) spektroskopi vist sig at være et lovende redskab til tidlig kræftdiagnose i mavetarmkanalen, herunder andre organer [24, 25]. Derfor væv optiske egenskaber af sund og patologisk humane mave væv er vigtige for medicinske anvendelser i diagnose og behandling [26]. Vi fokuserer i dette dokument om de optiske egenskaber af normal human mave mucosa /submucosavæv i hjerte- åbning ved den synlige og nær-infrarøde bølgelængdeområde. Resultaterne blev analyseret og sammenlignet fra disse eksperimentelle data, vi opnåede.
Teori
Vi benytter en simpel to-source diffusion teori model af rumligt løst, steady-state diffus reflektans [27]. Når lyset går ind i en semi-uendelig væv, vil det generelt sprede et antal gange, før enten blive absorberet eller flugt vævsoverfladen et andet sted end sit udgangspunkt indgang. Den multipelt spredte lys, der undslipper kaldes diffus reflektans. Wang og Jacques mener, at for både normale og skrå forekomst, jo mere nøjagtig ekspression for vejlængden fra vævsoverfladen til den positive punktkilde er, hvad det er blevet defineret som 3D (D er diffusionskoefficienten) i stedet for 1 MFP '( mfp 'er transporten betyde fri bane). Disse to sager blev afbildet i Ref. [28]. Den diffuse reflektans profil for skrå forekomst er centreret omkring positionen af ​​punktkilder, kan skiftet Ax ved at finde midten af ​​diffus reflektans i forhold til lyset indgang måles. Som det er tilfældet for normalt indfald, diffusion teori model, når forskydes med Ax, er også enig med Monte Carlo resultater uden for 1-2 mfp "fra midten af ​​diffus reflektans, som det er vigtigt at gentage, er ikke længere på indgangsstedet, som vist i Ref. [28]. De to-source-modellen, med en dybde på 3D i stedet for 1 MFP ', giver følgende udtryk [27, 28]: (1), der kan skaleres til vilkårligt at passe en relativ reflektans profil, der ikke er i absolutte enheder. Hvis μ eff er den effektive dæmpning koefficient, defineres som (2) ρ
1 og ρ
2 er afstanden fra de to kilder til det punkt af interesse (den . lyspunkt samling, se Ref [28]), og den randbetingelse er omfattet af udtrykket A [28]: (3) hvor (4) (5) n væv er brydningsindekset af vævet, n omgivende er brydningsindekset for den omgivende, og n rel er den relative brydningsindeks af vævet-luft-grænsefladen. En laserstråle er skråt indfaldende på oversiden af ​​vævsprøven, hvor θ væv er indfaldsvinklen af ​​laserstrålen. D er diffusionskoefficienten, det kan beregnes ud fra Ax (6) når Ax er afstanden mellem det punkt af lys incidens og den tilsyneladende centrum af diffus reflektans. Ifølge Lin et al [28] denne diffusion konstant er lig med (7) med μ s 'den reducerede spredning koefficient, dvs. μ s (1-g), μ en absorptionskoefficienten. De optiske egenskaber, μ et og μ s 'blev løst fra udtrykkene, og udtryk for μ et og μ s' er vist som følger (8) (9) Metoden at bestemme vævs optiske egenskaber, μ a og μ s ', behøver prøve den relative diffus reflektans profil på kendte positioner fra lyset indgang, og behøver beregne Ax og D, og ​​har brug for at udføre en ikke-lineær mindste kvadraters passe med Levenberg-Marquardt-metoden [29-31] om (1) at bestemme μ eff, og derefter nødt løse for μ et og μ s 'fra udtrykkene. Metoden blev detailedly vist i Ref. [28].
Fremgangsmåder Salg Prøveforberedelse
normal human mave mucosa /submucosavæv i hjertets åbning blev undersøgt i denne undersøgelse. Vævsprøver blev udtaget fra 12 normale humane maver i hjertets åbning blev bestemt ud fra histologisk undersøgelse, umiddelbart efter udskæring vævene. Hver fjernet mave prøve blev straks skyllet kort i saltvand til fjernelse overflade overskydende blod og skrælles overflade fedtstoffer, blev anbragt i en flaske med saltvand snarest muligt, og blev opbevaret i et køleskab ved -70 ° C. Fra vævsprøver, blev anvendt i alt 12 normale maveslimhinden /submucosa vævsprøver, med en gennemsnitlig tykkelse på (10,32 ± 0,26) mm inden for højst 24 timer efter fjern. Tykkelsen af ​​hver prøve blev målt og registreret med en skydelære med 0,02 mm fejl. Alle vævsprøver blev henholdsvis taget ud fra køleskabet før målingen, blev anbragt på eksperimentel skrivebord på rumtemperatur på 20 ° C i en time, og derefter alle optøning vævsprøver blev målt igen ved anvendelse af en skrå indfaldende laserstråle og CCD-kamera, henholdsvis.
diffus reflektans målinger af væv
Figur 1 viser et skematisk diagram af forsøgsopstillingen, der anvendes til at måle den relative profil af diffus reflektans, og tabel 1 viser information om lyskilde på eksperimentet. Vævsprøverne blev belyst med kollimeret lys fra 635, 730, 808, 890 og 980 nm bølgelængde laser, henholdsvis. Udgangssignalet fra alle laserlys blev ekspanderet ved stråleudvider 25 gange, og derefter blev svækkede (til en potens på højst 5 mW) af lyset dæmpningsled, og blev reflekteret af spejlene, blev passeret gennem en 2 mm pinhole og en fokus 35,2 mm linse, og derefter den skråt indfaldende på oversiden af ​​vævsprøven maveslimhinden /submucosa i en 45 graders vinkel mellem laser akse og normalen til vævsoverfladen (α i = 45 °) henholdsvis . Et lille stykke af transparent lineal (med millimeter overgange) blev anbragt på prøveoverfladen for skala, og en vis graduering af linealen blev planeret til den centrale del af indfaldspunktet for laserstrålen, og gradueringen er udpeget som oprindelse x-koordinaten. Fra toppen af ​​prøven kan der observeres en reflektans mønster. Dette mønster er afbildet på en 795 × 596 pixel todimensional Charge Coupled Device (CCD) detektor (Nikon, Cool Pix, 995, Japan). Den indfaldende stråle kan observeres som den mest intense område i billedet. Fordi, laserstrålen var skrå til overfladen reflektansen mønster var asymmetrisk nær punktet af forekomst, men den diffuse reflektans langt fra kilden dannede koncentriske cirkler, tilnærmelsesvis, og afstanden mellem oprindelsen af ​​x-koordinaten og centrum af de koncentriske cirkler er afstanden Ax, og centrum af de koncentriske cirkler beregnes ligeledes. Fra afstanden Ax diffusionskonstanten kan beregnes ved anvendelse af (6), med D diffusionskonstanten i mm, Ax afstanden i mm. Denne test bestod i at gentage ti gange reflektansmålinger, og de målte resultater var reproducerbare for en specifik prøve ved specifik bølgelængde. For hver test blev positionerne af stedet af indfaldende lys på prøveoverfladen ændret for at mindske virkningen af ​​vævet heterogenitet på reflektansmålinger, og hver test ved hver laser bølgelængde blev udført på samme tilstand eksperimenter, og eksponeringen tid blev sat til 800 ms. I alt elleve vævsprøver blev anvendt til målingerne in vitro. erhvervelse CCD data blev styret af en computer til formålet. Databehandling og analyse af datafiler blev udført ved hjælp af brugerdefinerede software skrevet i Matlab (Matlab, Mathworks Incorporated, Massachusetts) .table 1 Typer, model af laser og effekt af at anvende lyskilde på eksperimentet
Lyskilde
model
effekt
635 nm bølgelængde diode laser
nLIGHT, USA, model NL-FBA-2,0-635
P ≤ 5 mW
730 og 890 nm bølgelængder af Ti: S ring laser
sAMMENHÆNGENDE, USA, model 899-05
P ≤ 5 mW
808 nm bølgelængde diodelaser
nLIGHT , USA, model NL-FCA-20-808
P ≤ 5 mW
980 nm bølgelængde diode laser
nLIGHT, USA, model NL-FCA-30-980
P ≤ 5 mW
Figur 1 Skematisk diagram af forsøgsopstilling som anvendes til måling af diffusionskonstanten og fordelingen af ​​diffus refleksion lys.
Statistisk analyse
Optiske parametre for biologiske vævsprøver blev udtrykt som middelværdi ± SD, blev påvist ved en Student t
-test, og blev betragtet som signifikante ved p
værdier < 0,01. Den SPSS10 blev anvendt til statistisk analyse.
Resultater
Den optiske egenskaber er udtrykt som middel ± SD for alle målinger til prøverne. Figur 2, 3, 4, 5, 6 og 7 foreliggende afhænger af bølgelængden absorptionskoefficienter, de reducerede spredningskoefficienterne, de optiske indtrængningsdybder, diffusionskoefficienterne, den diffuse reflektans og forskydninger af diffus reflektans for normal maveslimhinden /submucosa væv i hjerte- åbning ved fem forskellige bølgelængder af laser henholdsvis. De lodrette linier svarer til værdierne af standardafvigelsen (SD), der er bestemt af en Student t
-test, og fejlsøjler vises 635, 730, 808, 890 og 980 nm bølgelængder af laser for klarhed og udgør en standardafvigelse i μ a, μ s ', δ, D, R ∞ og Ax-værdier. Figur 2 bølgelængde afhængighed af absorptionskoefficienter u en af ​​normale mave slimhinden /submucosa væv i hjertets åbning. De blanke prikker svarer til de gennemsnitlige absorptionskoefficienter og de lodrette linjer viser SD værdier.
Figur 3 bølgelængde afhængighed af de reducerede scattering koefficienterne μ S 'normale maveslimhinden /submucosa væv i hjertets åbning. De blanke prikker svarer til de gennemsnitlige reducerede scattering koefficienter og de lodrette linjer viser SD værdier.
Figur 4 De optiske penetration dybder δ normale maveslimhinden /submucosa væv i hjerte-åbning på 635, 730, 808, 890 og 980 nm. De blanke prikker svarer til gennemsnittet optisk indtrængningsdybder og de lodrette linier viser SD værdier.
Figur 5 de diffusionskoefficienter D af lys ind normale maveslimhinden /submucosavæv i hjertets åbning ved 635, 730, 808, 890 og 980 nm. De blanke prikker svarer til de gennemsnitlige diffusionskoefficienter og de lodrette linjer viser SD værdier.
Figur 6 diffus reflektans R ∞ af normale maveslimhinden /submucosa væv i hjerte-åbning på 635, 730, 808, 890 og 980 nm . De blanke prikker svarer til den gennemsnitlige diffus reflektans og de lodrette linjer viser SD værdier.
Figur 7 Skiftet Ax af diffus reflektans af normale maveslimhinden /submucosa væv i hjerte-åbning på 635, 730, 808, 890 og 980 nm. De blanke prikker svarer til gennemsnittet forskydning Ax af diffus reflektans og de lodrette linier viser SD værdier.
Diskussion
De optiske egenskaber af et biologisk væv afhænger af dets biokemiske sammensætning og dets cellulære og subcellulære struktur. I det synlige og nær-infrarøde område, er absorptionsegenskaberne relateret til koncentrationen af ​​chromophorer, såsom oxyhæmoglobin og deoxyhæmoglobin, fedt og vand [32]. Sådanne kromoforer varierer betydeligt med væv stofskifte [33]. De lysspredende egenskaber er relateret til størrelsesfordelingen af ​​celler og organeller, som er parametre, der anvendes til at skelne normal fra abnorm væv i standard histopatologi [34]. Derfor optiske målinger har et stort potentiale for udvikling af invasive in vivo
medicinske diagnostiske værktøjer, ofte kaldet "optisk biopsi". Sådanne teknikker bør væsentligt forbedre effektiviteten af ​​biopsier eller hjælpe i fastsættelsen af ​​tumor marginer i en kirurgiske område. Ifølge vores eksperimentelle data, absorptionskoefficienterne, de reducerede spredning koefficienter, de optiske penetration dybder, de diffusionskoefficienter, den diffuse reflektans og forskydninger af diffus reflektans for normale maveslimhinden /submucosa væv i hjerte-åbning på 635, 730, 808 blev 890 og 980 nm bestemt in vitro. I vores undersøgelse, er det interessant at bemærke de optiske egenskaber måles og deres forskelle for de vævsprøver på fem forskellige laser bølgelængder. Vi tror, ​​at de optiske egenskaber skal bidrage til patologisk diagnose og medicinsk behandling for malignt eller præmaligne gastrointestinale slimhinder med lethed ved hjælp af optiske metoder.
Figur 2 og figur 3 viser absorption koefficienter og de reducerede scattering koefficienter af vævsprøver ved fem forskellige laser bølgelængder, henholdsvis. Fra figur 2 og figur 3 kan det ses, at absorptionskoefficienter for vævsprøver stige med stigningen af ​​laser bølgelængder, undtagen for absorptionskoefficienten ved 730 nm, og de reducerede scattering koefficienterne for vævsprøver falder med forøgelsen af ​​laserbølgelængder . Der var signifikante forskelle i absorptionskoefficienter på fem forskellige laser bølgelængder (P
< 0,01). Den maksimale og minimale absorptionskoefficienter er 0,265 mm -1 ved 980 nm og 0.0332 mm -1 ved 730 nm. Den maksimale og minimale forskelle i absorption koefficienter er 698% mellem 730 og 980 nm og 1,61% mellem 635 og 808 nm. Der var også betydelige forskelle i de reducerede scattering koefficienterne på fem forskellige laser bølgelængder (P
< 0,01). Den maksimale og den minimale reduceret spredning koefficienter er 1.19 mm -1 ved 635 nm og 0,521 mm -1 ved 980 nm. Den maksimale og minimale forskelle på de reducerede scattering koefficienterne er 128% mellem 635 og 980 nm og 1,15% mellem 890 og 980 nm.
Figur 4 viser, at de optiske penetration dybder for vævsprøver varierer med stigningen i laser bølgelængder. Der var signifikante forskelle i de optiske penetration dybder på fem forskellige laser bølgelængder (P
< 0,01). Den maksimale og minimale optiske penetration dybder er 3,57 mm ved 808 nm og 1,43 mm ved 980 nm. Den maksimale og minimale forskelle i de optiske penetration dybder er 150% mellem 808 og 980 nm og 5,36% mellem 730 og 890 nm. Af figur 5 kan det ses, at diffusionskoefficienter for vævsprøver varierer med stigningen i laserbølgelængder. Der var også betydelige forskelle i diffusionskoefficienter på fem forskellige laser bølgelængder (P
< 0,01). Den maksimale og minimale diffusionskoefficienter er 0,608 mm -1 ved 890 nm og 0,278 mm -1 ved 635 nm. Den maksimale og minimale forskelle i diffusionskoefficienter er 119% mellem 635 og 890 nm og 12,0% mellem 890 og 980 nm. Figur 6 viser, at den diffuse reflektans for vævsprøver falder med forøgelsen af ​​laser bølgelængder. Der var signifikante forskelle i diffus reflektans på fem forskellige laser bølgelængder (P
< 0,01). Den maksimale og den minimale diffus reflektans er 0,456 ved 635 nm og 0,0732 ved 980 nm. Den maksimale og minimale forskelle i den diffuse reflektans er 523% mellem 635 og 980 nm og 7,29% mellem 635 og 730 nm. Af figur 7, kan det ses, at skiftet Ax af diffus reflektans for vævsprøver varierer med stigningen i laserbølgelængder. Der var også betydelige forskelle i skiftet Ax af diffus reflektans på fem forskellige laser bølgelængder (P
< 0,01). Den maksimale og den minimale forskydning Ax af diffus reflektans er 1.11 mm ved 890 nm og 0,507 mm ved 635 nm. Den maksimale og minimale forskelle skiftet Ax af diffus reflektans er 119% mellem 635 og 890 nm og 11,7% mellem 890 og 980 nm.
Der er betydelige forskelle i de optiske egenskaber af vævsprøver mellem forskellige bølgelængder laser (P
< 0,01). Bashkatov et al. [35] og Holmer et al. [36] har rapporteret de optiske egenskaber af gastrisk væv ved forskellige optiske målemetoder, vores data, at bølgelængden afhængighed af absorptionskoefficienten, den reducerede spredning koefficient og den optiske indtrængningsdybde af human mavevæggen slimhinde er meget lig sammenligne oplysninger om Bashkatov, et al. og Holmer et al. med vores data i det spektrale område fra 600 til 1000 nm. Salg Konklusion
Som konklusion resultaterne rapporteret her viser, at forskelle i de optiske egenskaber, nemlig absorptionskoefficienterne, de reducerede spredningskoefficienterne, de optiske indtrængningsdybder de diffusionskoefficienter, den diffuse reflektans og forskydninger af diffus reflektans for normal mave slimhinden /submucosa væv i hjerte-åbning på 635, 730, 808, 890 og 980 nm er betydelige in vitro (P
< 0,01), og den potentielle og løftet om anvendelse af en skrå indfaldende laserstråle til at måle de optiske egenskaber af væv til kliniske undersøgelser. Væv af forskellige patologier har forskellige optiske væv egenskaber, og væv fra forskellige steder for normale menneskelige maver har forskellige optiske væv egenskaber [2]. De foreløbige resultater, der præsenteres, kan anvendes til udvikling af optisk teknologi og kan være nyttige i tidligere diagnose, fotodynamisk og fototermisk terapi i mavetarmkanalen
Forkortelser
NIR:.
Nærinfrarøde

GI:
gastrointestinal
WLE: og hvid lys endoskopi
Okt:
optisk kohærens tomografi
LIAF:
laser-induceret autofluorescens
mfp «:
transport betyde fri bane

D:
diffusionskoefficienten
SD:
standardafvigelse
erklæringer
Tak
forfatterne vil gerne anerkende National Natural Science Foundation of China (varenummer 30.470.494; 30627003), og Natural Science Foundation i Guangdong-provinsen (varenummer 7.117.865) til at understøtte dette arbejde.
Forfattere 'originale filer indsendt til Images of Nedenfor er links til forfatternes oprindelige indsendte filer til billeder. 12876_2008_356_MOESM1_ESM.pdf Forfatternes oprindelige fil til figur 1 12876_2008_356_MOESM2_ESM.pdf Forfatternes oprindelige fil til figur 2 12876_2008_356_MOESM3_ESM.pdf Forfatternes oprindelige fil til figur 3 12876_2008_356_MOESM4_ESM.pdf Forfatternes oprindelige fil til figur 4 12876_2008_356_MOESM5_ESM.pdf Forfatternes oprindelige fil til figur 5 12876_2008_356_MOESM6_ESM.pdf forfatternes oprindelige fil til figur 6 12876_2008_356_MOESM7_ESM.pdf forfatternes oprindelige fil til figur 7 konkurrerende interesser
forfatterne erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende interesser.

• Palliativ distal gastrektomi giver ingen overlevelse fordele i forhold gastrojejunostomy for mavekræft med stikkontakt obstruktion: retrospektiv analyse af en 11-årig experience
• Resektion af distal gastrisk rør kræft med sentinel node biopsi: en case-rapport og gennemgang af literature