Chromoendoscopy i magnetisk guidet kapselendoskopi

Chromoendoscopy i magnetisk guidet kapselendoskopi
Abstract
Baggrund
Diagnose af intestinal metaplasi og dysplasi via konventionel endoskopi er kendetegnet ved lav interobserver aftale og dårlig korrelation med histopatologiske fund. Chromoendoscopy øger markant synligheden af ​​mucosa uregelmæssigheder, ligesom metaplasi og dysplasi slimhinde. Magnetisk guidet kapselendoskopi (MGCE) tilbyder et alternativ teknologi til øvre GI undersøgelse. Vi forventer, vanskelighederne ved diagnose af neoplasma i konventionel endoskopi at overføre til MGCE. Således ønsker vi at kortlægge en vej for anvendelsen af ​​chromoendoscopy på MGCE via en ex-vivo dyreforsøg.
Metoder
Vi foreslår en modificeret præparat protokol, som tilføjer en farvning skridt til den eksisterende MGCE forberedelse protokol. En optimal farvning koncentrationen bestemmes kvantitativt for forskellige plettyper og patologier. Med henblik herpå 190 gris mave vævsprøver med og uden læsion efterligninger blev farvet med forskellige farvestof koncentrationer. Kvantitative visuelle kriterier er indført for at måle kvaliteten af ​​farvningen med hensyn til mucosa og læsion synlighed. Thusly bestemte optimale koncentrationer testes i en ex-vivo gris mave eksperiment under magnetisk vejledning af en endoskopisk kapsel med modificeret protokol.
Resultater
Vi fandt, at den foreslåede protokol ændring ikke påvirker synligheden i maven eller styrbarhed af endoskopi kapsel. En gennemsnitlig optimal farvning koncentration for den foreslåede protokol blev fundet på 0,4% for methylenblåt Indigocarmin. Læsionen synlighed forbedres ved hjælp af den tidligere opnåede optimale farvestof koncentration.
Konklusioner
Vi konkluderer, at chromoendoscopy kan anvendes i MGCE og forbedrer slimhinden og læsion synlighed. Systematisk evaluering giver vigtige oplysninger om passende farvning koncentration. yderligere dyr og menneske in vivo er dog undersøgelser er nødvendige.
Nøgleord
Methylenblåt Indigocarmin Farvning Baggrund
Selvom forekomst og dødelighed er faldende, mavekræft med 738.000 tilfælde på verdensplan i 2008 er den 2. mest dødbringende fordøjelsessystemet neoplasme i verden [1]. Intestinal metaplasi og dysplasi er forstadier til kræft [2]. Identifikationen af ​​disse læsioner og opfølgning af ramte patienter kan føre til tidlig diagnose og behandling, og dermed styrke overlevelsen af ​​patienten [3, 4]. Gastroskopi (EGD) er den mest almindelige procedure for diagnose og behandling. Men for påvisning af metaplasi og dysplasi konventionel EGD er kendetegnet ved lav interobserver aftale og dårlig korrelation med histopatologiske fund [5, 6].
Forskellige teknikker er til rådighed for at styrke og fremhæve mucosa uregelmæssigheder og for at øge synligheden af ​​strukturer, som ligge under overfladen af ​​slimhinden. De vigtigste metoder omfatter snævre bånd imaging, konfokal laser endomicroscopy, forstørrelse endoskopi, optisk kohærens tomografi og chromoendoscopy [7-10]. Disse teknikker er ofte blevet sammenlignet med hinanden, eller i kombination med hensyn til deres virkning i diagnostisk nøjagtighed (fx i [11, 12]). Men en væsentlig forskel mellem chromoendoscopy og alle konkurrerende teknikker ligger i den manglende for ekstra hardware. Chromoendoscopy kræver ingen ændring af hardwaren i billeddannende system selv.
Desuden chromoendoscopy i EGD og koloskopi er vist signifikant at øge synligheden af ​​mucosa uregelmæssigheder, ligesom metaplasi og dysplasi [13]. Chromoendoscopy består af den topiske påføring af forskellige pletter at forbedre væv synlighed, lokalisering og karakterisering med henblik på bedre diagnose. Chromoendoscopy består normalt af fire trin til absorberende pletter og tre trin for kontrastmidler pletter: (1) Anvendelsen af ​​en syre for at opløse gastrisk slim, (2) lokal anvendelse af en plet, (3) (kun for absorberende pletter) vask af respektive region med vand og (4) besigtigelse af de farvede områder til diagnostiske formål. I (1) - (3) anvendelsen af ​​farvestoffet udføres lokalt ved hjælp arbejdskanalen af ​​endoskop og forskellige spray katetre (direkte metode) under den visuelle vejledning af endoskopet. For koloskopi den passive anvendelse af pletten med et farvestof-pulver fyldt kapsel er også blevet rapporteret [14, 15]. I denne procedure en kapsel med farvepulver gives til patienten efter administrering af en tarm udrensning opløsning såsom PEG. Mellem farvestoffet administrationen og koloskopi undersøgelse er behov for en ventetid. Anvendelse af farvestoffet om morgenen og undersøgelse om eftermiddagen blev rapporteret som en tilstrækkelig stor tidsrum [14]. Selvom proceduren blev fundet at være muligt, er rapporteret vanskeligheder på grund af den inhomogene anvendelse af pletten [16]. Den orale anvendelse af farvestof til undersøgelse af maven uden at bruge en spray kateter (indirekte metode) er blevet beskrevet i [15, 17].
Nylig forskellige tilgange til magnetisk styrede kapsel endoskoper (MGCE) til gastrisk og tyndtarmen undersøgelser blev præsenteret [18-23]. I et klinisk forsøg på mennesker, viste MGCE muligheden for gastrisk udforskning med en guidet kapsel endoskop [18, 19]. I dette specifikke undersøgelse maven var fyldt med vand og kapslen blev navigeret udefra med et eksternt magnetisk felt. En operatør kunne styre bevægelsen af ​​kapslen under behandlingen ved hjælp af feedback fra real-time gastrisk imaging fra to kapsel kamera sensorer. Derfor kunne han få et tilstrækkeligt antal mave-overflade billeder med diagnostisk værdi.
Vi forventer, at kendte vanskeligheder i diagnosticering af neoplasi, om interobserver aftale i konventionel endoskopi, overføre til MGCE. MGCE kunne således drage fordel chromoendoscopy på samme måde klassiske endoskopi gør. Men sammenlignet med den direkte anvendelse af pletten i EGD og de fleste koloskopi procedurer, i MGCE kun indirekte anvendelse er mulig. Ingen syre fremstilling og vask af maveslimhinden er mulig. Endvidere skal vand, hvori kapslen manøvreres, ikke farves ved niveauer, som reducerer den samlede synlighed. Konkurrerende metoder såsom smalbåndet billeddannelse til diagnosticering af colorektal neoplasi er vanskelige at integrere i en kapsel endoskop [11]. Desuden som i mange endoskopiske teknikker er endnu ikke klarlagt, den nøjagtige betydning af chromoendoscopy og de tekniske detaljer [24, 25]. For eksempel i litteraturen ([5, 26, 27]) kan man finde tre forskellige koncentrationer methylenblåt farvestof og anvendelse tider til undersøgelse af gastrisk neoplasma. Jagten på en optimal koncentration for en farvning procedure i animalske og menneskelige forsøg er blevet rapporteret et par gange, men uden støtte fra en grundig analyse. I [28] en optimal farvning koncentration til samtidig konfokal laser endomicroscopy og chromoendoscopy med cresylviolet vurderes på mices, men uden et objektivt kriterium. I [29] en optimal farvning koncentration for endocytoscopy blev åbnet i en ex-vivo dyr undersøgelse, hvor frisk reseceret porcin spiserør, mave og tyktarm blev undersøgt. Billedkontrast og farvning status blev evalueret af eksperter for hvert organ til at bestemme den bedste koncentration. Resultaterne blev overført til reseceret menneskelige organer. Problemet med en manglende systematisk undersøgelse for klassisk chromoendoscopy i maven overførsler til MGCE og bliver mere alvorlig gennem udfordringerne i den indirekte anvendelse af pletten.
I dette papir vi evaluerer eventuel anvendelse af chromoendoscopy at MGCE i en ex-vivo dyreundersøgelse. Først foreslår vi en ændring af MGCE forberedelse protokol med henblik på at indarbejde en farvning procedure for chromoendoscopy. For det andet, præsenterer vi en metode til systematisk at vurdere en optimal koncentration af farvestof til den foreslåede protokol modifikation. Optimeringen udføres ved forsøg med svin mave vævsprøver og med hensyn til den bedste synlighed væv af forskellig histologisk eller patologisk art. For det tredje, overfører vi disse resultater til en ex-vivo gris mave eksperiment under magnetisk vejledning af en kapsel endoskop. Disse eksperimenter bør fastlægge: a) den samlede under vand synlighed efter den foreslåede passive farvning protokollen; og b) slimhinden og læsionen synlighed med den optimerede farvestofkoncentration.
vejledning magnet er teknisk ligner den, der anvendes for den humane undersøgelse [18, 19]. Alle navigation funktioner i denne undersøgelse er også tilgængelige i vores setup. Systemet er en fælles udvikling af SIEMENS Healthcare og Olympus Medical Systems Corp. Dens vigtigste komponenter er: (1) En vejledning magnet, der består af et sæt af elektromagnetiske spoler definerer en arbejdsgruppe volumen og gør det muligt for føreren at styre en kapsel endoskop med 5 grader frihed (DOF). Den magnetiske fluxtæthed har et maksimum på 100 millitesla. (2) En kapsel endoskop af 31mm længde fremstillet af Olympus Medical Systems Corp. med en indbygget permanent magnet og to CCD-kameraer hver transmitterer 2 billeder i sekundet i realtid til en ekstern modtager fastgjort til patientens krop. (3) Et display viser kapsel billeder til operatøren. (4) Et sæt af joysticks tillader operatøren at manøvrere kapslen inde i maven. Orienteringen af ​​en elektromagnetisk (EM) felt orienterer kapslen i maven. EM-felt sammen med en EM gradientfelt generere kræfter på kapslen endoskopet på mindre end 1 millinewton. Disse er tilstrækkelig til translationelle bevægelser. Flere detaljer om den hardware og software design af vejledningen magnet kan findes i [30]. udføres Vejledningen af ​​kapslen er baseret på real-time imaging fra kapslen endoskop inde i maven gris.
I [31] en gris mave undersøgelse blev præsenteret for at forbedre slimhinde synlighed i MGCE hjælp methylenblåt. Denne undersøgelse var begrænset til kun et par sager og en enkelt farvestof. Den magnetiske styreevne blev kun simuleret under anvendelse af en plastbærer og der var ingen systematisk evaluering af en optimeret farvestofkoncentration før eksperimenterne. Betragtninger i dette papir opnås den magnetiske styrbarhed med en kapsel vejledning magnet. Undersøgelsen er udført med et stort antal svin maver og fører til en systematisk vurdering af to optimale farvestof typer.
Metoder
Ændring af forberedelse protokol for MGCE
etablerede forberedelse protokol, der bruges til den eksisterende menneskelige MGCE undersøgelse med 43 patienter består af tre administrationer af postevand før undersøgelsen: [18, 19]
Eksisterende MGCE forberedelse protokol
E.1 500 ml klart vand ved stuetemperatur en time og 15 minutter inden eksamen og efter faste natten over.
E.2 400 ml klart vand ved stuetemperatur 15 minutter inden eksamen efterfulgt af lette øvelser.
E.3 400 ml klart vand ved nær kropstemperatur, umiddelbart før eksamen .
Alle programmer er givet mundtligt. Trin E.1 og E.2 er primært beregnet til rengøring af maven. Trin E.3 formål at udvide maven for at opnå tilstrækkelig plads til kapslen kan manøvreres og for komplet synlighed af maveslimhinden uden gastriske folder overlapper hinanden og til sidst skjule relevante slimhinde dele. Trin E.3 kan ikke ændres, da det er afgørende for vejledning af kapslen inde i maven. Vi forventer, at vandet, der skal farves i en sådan grad, at den generelle synlighed reduceres, når pletten er direkte påført før E.3. Derfor foreslår vi at passe en farvning trin mellem trin E.1 og E.2 af det eksisterende præparat protokollen. For at foretage yderligere forsøg med dyr fantomer følgende protokol vedtages for svin maver:
Modificeret MGCE forberedelse protokol for svin maver
M.1 2000 ml klart vand ved stuetemperatur, der er tømt ud af maven straks efter administration. Formålet med dette trin er stadig rensning af maven fra slim og /eller resterende fødevarer.
M.2 100 ml af farvestof, efterfulgt af 5 minutters massage og æltning maven at simulere peristaltisk bevægelse, efterfulgt af tømme maven fra farvestoffet. Dette trin gælder farvestoffet til maven vægge. Massage og æltning maven simulerer peristaltiske bevægelse og udføres under den forudsætning, at farvestoffet ville være naturligt spredt over alle anatomiske områder i maven i den naturlige tilfælde. Simulering fordøjelsesperistaltik via massage en stomacherpose eller en remskive system til at skabe peristaltiske bevægelse i en mekanisk mave model blev rapporteret i [32, 33].
M.3 500 ml rent vand ved stuetemperatur, som forbliver i maven i 5 minutter og derefter tømt ud. Dette trin er magen til E.2 af standard MGCE procedure, men denne gang er det også evakuerer den resterende farvestof.
M.4 2000 ml rent vand ved nær kropstemperatur, umiddelbart inden undersøgelsen (samme formål som E.3 ).
Alle ansøgninger udføres gennem spiserøret og agter at simulere den mundtlige anvendelse af vand og farvestof. Ved hjælp af en kombination af vand, for at udvide maven, og farvestof samtidig antages at være uforenelig med MGCE siden synligheden af ​​kapslen vil blive forringet. Tømningen udføres ved forsigtigt at klemme maven og efterligner den naturlige evakuering af maveindhold ind i tyndtarmen. Mængden af ​​vand til vask og udvide maven (trin M.1 og M.4) blev sat til større værdier på grund af den større størrelse af en gris mave.
Target læsioner og læsioner efterligninger
at vurdere fordelene af chromoendoscopy i MGCE den foreslåede metode er testet på en sund slimhinde og neoplastiske læsioner efterligninger. Læsioner af eventuel tidlig gastrisk cancer (EGC) er opdelt i 3 hovedgrupper: fremspringende (0-I), ikke-udragende og ikke-udgravet (0-II), udgravet (0-III) med hver af disse typer har flere sub -types [34]. To læsion typer anses for at vurdere fordelene ved chromoendoscopy med den foreslåede ændring af protokol: pseudopolypper at simulere en fremspringende (0-lp) læsion og ikke-fremspringende lidt deprimerede læsioner af type 0-IIc. I [35] en fremgangsmåde er beskrevet for at skabe en pseudopolyp anvendelse af en esophageal variceal ligering enhed. Vi anvendte en lignende fremgangsmåde, men anvendes en sutur til at udføre en ligering af maveslimhinden for at skabe en pseudopolyp. Til simulering af 0-IIc ikke-udragende læsioner 10% HCI-opløsning blev påført på maveslimhinden i 15 sekunder og skylles med ledningsvand. Otte eksempel billeder (fire af 0-lp og fire af 0-Ile) af de oprettede læsioner efterligninger er vist i figur 1. Figur 1 Behandlingseffekten efterligninger: Figur 1 (A): Fire eksempler på ikke-fremspringende lidt-deprimerede læsioner (0 -IIc) kontureret med mørke linjer, figur 1 (B): Fire eksempler på pseudopolypper (markeret med pile) for at simulere en fremspringende læsion (0-lp)
pletter
Under EGD eller koloskopi, der bruges forskellige pletter. for chromoendoscopy. De klassificeres som absorberende, kontrast, eller reaktiv [24]. I vores eksperimenter bruger vi et absorberende plet (methylenblåt), og en kontrast plet (Indigocarmin). Methylenblåt, absorberes af specifikke celletyper og højdepunkter derfor gennem fortrinsret absorption. Indigocarmin er ikke absorberende og fremhæver slimhinden ved mekanisk at samle i cervices mellem epitelceller, fedt eller deprimeret læsioner og andre uregelmæssigheder. Læsionen efterligninger af typen 0-IIc (tidlig mavekræft) farves med indigo karminrød, som beskrevet i [36]. . Til farvning af fine detaljer i slimhinden Methylenblåt bruges
Visuelle kriterier for en optimal plet koncentration
En procedure farvning for chromoendoscopy i MGCE har yderligere udfordringer i forhold til klassiske chromoendoscopy involverer en fleksibel endoskop: Lokal anvendelse af pletten som anvendt i EGD og koloskopi er ikke mulig i MGCE hverken er en syre fremstilling af slimhinden eller vask af gastriske slim efter anvendelse af pletten. Den optimale farvestof koncentration er kvantitativt og systematisk vurderes og yderligere anvendt i den foreslåede ændrede protokol. Til dette formål er et stort antal billeder fra svin mave vævsprøver farvet med forskellige farvestofkoncentrationer for at bestemme en optimal farvning fusion (Se figur 2 og 3). Da vi fandt, at simpel visuel inspektion ikke er tilstrækkelig præcist at bedømme den optimale pletten koncentration, vi definerede to objektive visuelle parametre for at vurdere koncentrationen anvendt på sund slimhinde og 0-IIc læsion efterligninger: Figur 2 Methylenblåt farvning: Pig mave patches stammer fra forskellige maver farvet med koncentration fra 0% til 1,4% methylenblåt. (A): ingen farvning, (B): 0,2%, (C): 0,4%, (D): 0,6%, (E): 0,8%, (F): 1%, (G): 1,2%, ( H): 1,4%. Billede af 2 x 2 cm gris mave patches blev beskåret til 1,8 x 1,8 cm.
Figur 3 Pig mave pletter med læsion efterligning farves med forskellige koncentrationer af Indigocarmin. (A) ingen farvning, (B) 0,2%, (C) 0,4%, (D) 0,6%, (E) 0,8%, (F) 1%. Ikke-fremspringende lidt-deprimerede læsioner (0-Ile) er kontureret med røde konturer. Billede af 2 x 2 cm gris mave patches blev beskåret til 1,8 x 1,8 cm
1. Læsion-til-baggrund kontrast:. Billedkontrast kan defineres som den kvantitative forskel, hvad angår farve og intensitet, mellem flere tilstødende rumlige billedområder eller objekter i et billede. For endoskopiske billeder kontrasten kan fortolkes som den lokale kvalitativ forskel i farve og /eller intensitet mellem tilstødende patologisk og sundt væv. En optimal pletten koncentration for visualisering af en læsion vil derfor være defineret af en fusion, der fører til en maksimal kontrast mellem patologisk og sund slimhinde. Chromoendoscopy har til formål at styrke denne kontrast så meget som muligt af det ansøgte farvestof og deraf følgende ændringer i farvning af forskellige slimhinde typer. Vi tildeler en numerisk score jeg
c
som uformelt kan defineres som den gennemsnitlige kontrast mellem læsion væv og sundt væv.
Til beregning af kontrasten score I
c
to regioner R
l
og R
h
er defineret for billedet region med læsioner og det sunde væv henholdsvis. Da kontrasten i et billede kan beskrives som den kvantitative forskel mellem forskellige billedområder. En måling af kontrasten jeg
c
mellem de to regioner kan derfor betegner som Jeg
c
=
g
(
R
l
)
-
g
(
R
h
) Hotel (1) hvor g
(·) henviser til den grå-skala konvertering af det originale farvebillede. For at beregne en sådan kontrast score, for hvert billede de to regioner R
l
og R
h
manuelt vælges inde i en region med læsioner og raske væv. Denne mærkning proces ikke segment den nøjagtige grænse mellem sunde og syge væv. Manuel segmentering er altid underlagt eksperten. Mere især en nøjagtig segmentering er relativt ligegyldig, sammenlignet med den samlede kontrast mellem to billedfiler regioner. Derfor en nøjagtig region segmentering er ikke nødvendig. Figur 4 viser et eksempel på en manuelt segmenteret sygdomsramt væv region. Værdien på en gråskalabillede ligger mellem 0 og 255. Derfor score for læsion-til-baggrund kontrast ville også ligge mellem disse to værdier, hvor en lille værdi ville indebære dårlig kontrast og en høj værdi ville indikere et billede med høj kontrast mellem læsion og baggrund. I [29] en sådan fremgangsmåde blev defineret til at bestemme den optimale kontrast mellem cytoplasmaet og kernerne for endocytoscopy. Figur 4 Mærkning metode eksempel: Figur 2 (A): Uden etiketter. Figur 2 (B): Det segmenterede syge væv region er afgrænset af en rød linje. De punkter på den røde linje viser de manuelt udvalgte segmentering points
2. Global tekstur varians:. Forskellige tekstur målinger kendes fra computer vision i almindelighed og i særdeleshed fra medicinsk billedbehandling med henblik på automatisk segmentering, klassifikation eller indhold baseret billede hentning [37, 38] kan.
Billede tekstur beskrives som en måling af rumlige arrangement og distribution af intensitet og /eller farve i et billede. Inden for disse arrangementer og fordelinger variansen kan måles. For billeder i endoskopi kan dette være den globale kvantitative forskel i farve og /eller intensitet mellem væv af forskellige histologiske eller patologisk natur og intensitet /farve varians mellem disse væv områder. Et billede, der udviser høj tekstur er et billede med en betydelig mængde skelnes intensitet /farve variation. Hvis billedet på samme tid udviser en høj varians mellem disse billedfiler regioner vi oversætte dette til et billede med høj tekstur varians. Chromoendoscopy har til formål at forbedre det globale tekstur varians ved at fremhæve væv områder på maveslimhinden med forskellige karakteristika så tydeligt som muligt. En optimal farvestof ville dermed maksimalt forbedre faktisk eksisterende forskellige væv områder og vil forårsage højt varians i kontrast mellem disse forskellige teksturer.
En populær funktion til at beskrive tekstur er den lokale binære mønster (LBP) [39]. Denne metode har været almindeligt anvendt i medicinsk billedbehandling og har blandt andre variationer, blevet udvidet til at kvantificere den globale tekstur variansen af ​​et billede [40]. Vi tildele en numerisk score v
en
r
(R
, N
) g
som uformelt kan defineres som kontrast variansen i billedet tekstur.
beregningen af ​​v
en
r
(R
, N
) g
er som følger: Det grundlæggende princip i LBP er en diskret karakterisering af pixel kvarterer . Hver pixel i et billede er tildelt en værdi alt efter hvordan det relaterer til de omkringliggende pixels i løbetid intensitet. Kvarteret er normalt defineret af to parametre, som er antallet af pixel taget i betragtning, og afstanden mellem centrum pixel og dets naboer. I LBP naboer er arrangeret i en cirkel omkring en midterste pixel og derfor afstanden kan simpelthen ved hjælp af radius af cirklen. Hver pixel på denne cirkel tildeles værdien 0, hvis dens intensitet ligger under intensiteten af ​​den centrale pixel og værdien 1, hvis intensitet er større end den centrale pixel. For et center pixel med 8 naboer, der ville opstå, for eksempel i et 8-cifret binært tal, som fører til det oprindelige navn på et lineært binært mønster. En binær LBP mønster på et center pixel p
c dele på positionen (c
x
, c
y
) med dets N Salg naboer pixel p
n dele på en radius R
kan derfor beskrives som LBP (
R
,
N
)
(
c
x
,
c
y
)
=
Σ
jeg
=
1
N
b
(
s
n
(
jeg
)
-
s
c
x
,
c
y
)
×
2
N
(
d
→

• Evaluering af POSSUM scoringssystem hos patienter med mavekræft undergår D2-gastrektomi
• Visceral fedt ændringer efter distal gastrektomi efter type procedure rekonstruktion for gastrisk cancer