Untersuchung von Magenkrebs in Nacktmäusen mit X-ray in-line Phasenkontrast imaging

Untersuchung von Magenkrebs in Nacktmäusen mit X-ray in-line Phasenkontrastbildgebung
Zusammenfassung
Hintergrund
Dieses Papier zu berichten die neue Abbildung von Magenkrebs ohne die Verwendung von bildgebenden Mittel. Beide Magen normalen Regionen und Magenkrebs Regionen kann durch Verwendung der Hauptkomponentenanalyse (PCA) auf der Basis der Graustufe Co-Auftritts-Matrix (GLCM) unterschieden werden.
Methoden
menschliche Magenkrebs BGC823 Zellen in die Mägen implantiert von Nacktmäusen. Dann, 3, 5, 7, 9 oder 11 Tage nach der Krebszellen Implantation wurden die Nacktmäuse getötet und ihre Mägen wurden entfernt. X-ray in-line Phasenkontrast-Bildgebung (XILPCI), ein Röntgenphasenkontrastbildgebungsverfahren, hat eine größere Weichteilkontrast als herkömmliche Absorptions Radiographie und erzeugt mit höherer Auflösung Bilder. Die Magen-Proben wurden durch eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) von 9 um die Bildauflösung "XILPCIs abgebildet. Die PCA der projektiven Bilder "Region of Interest (ROIs) auf Basis von GLCM wurden Magen normalen Regionen und Magenkrebs Regionen zu unterscheiden extrahiert. Verschiedene Stadien von Magenkrebs durch die Verwendung Support-Vektor-Maschinen klassifiziert wurden (SVM).
Ergebnisse
Die X-ray in-line Phasenkontrastbilder von nackten Mäusen Magen-Proben zeigen deutlich die Magen-Architekturen und die Details des Magenfrüh Krebserkrankungen. Die Phasenkontrast-Computertomographie (CT) Bilder von Nacktmäusen Magenkrebs Exemplare sind besser als die traditionellen Absorption CT-Bilder ohne den Einsatz von Kontrastmittel. Die Ergebnisse der PCA der Texturparameter basierend auf GLCM von Normalbereichen ist (F 1 + F 2) > 8,5, die aber denen der Krebs Regionen ist (F 1 + F 2) < 8.5. Die Klassifikationsgenauigkeit ist 83,3%, dass die Klassifizierung Magen-Proben in verschiedenen Stadien SVMs verwendet wird. Schlussfolgerungen
Dies ist eine sehr vorläufige Machbarkeitsstudie. Mit weiteren Untersuchungen, eine nichtinvasive Methode zur Zukunft XILPCI könnte die Früherkennung von Magenkrebs oder medizinische Forschungen werden.
Schlüsselwörter X-ray in-line Phasenkontrast-Bildgebung Röntgenabsorption Bildgebung Magenkrebs Hauptkomponentenanalyse Support-Vektor Maschine hintergrund und Krebs ist die zweithäufigste Ursache für Morbidität weltweit. Magenkrebs ist eine der häufigsten Ursachen von Krebs-Todesfälle in Asien [1]. Früherkennung und frühzeitige Behandlung von Magenkrebs sind immer noch im Mittelpunkt der Krebsprävention und Behandlung. Röntgen traditionelle Bildgebung des menschlichen Skeletts liefert hochauflösende Bilder, sondern die der menschlichen Bauchorgane ist sehr schlecht. In den letzten Jahren ein neues Bildgebungsverfahren, das Röntgen in-line Phasenkontrast-Bildgebung (XILPCI) entstanden. Dieses Bildgebungsverfahren ist auf dem Röntgenphasenänderungsfaktor basiert hauptsächlich nach einer Röntgen durch Objekte verläuft. XILPCI von Weichgewebe bietet Mikrometer räumlicher Auflösung.
Krebsfrüherkennung hängt hauptsächlich von Röntgenaufnahmen. Die aktuellen Untersuchungsmethoden der Mägen hauptsächlich aus CT bestehen [2-5], Magnetresonanztomographie (MRT) [4, 6], Endoskopie [7, 8] und Gas-Barium-Doppelkontrast-Röntgen gastrointestinalgraphy [9, 10]. Die Bildauflösung dieser Geräte ist auf der Millimeterskala. Die Bildauflösung, die durch Röntgenphasenkontrastbildgebung (XPCI) auf der Mikronmaßstab erreicht werden kann. Das Röntgenphasenverschiebung beträgt etwa 1000-mal größer ist als die Absorptionsänderung. Derzeit gibt es eine Reihe von internationalen Forscherteams Methoden verschiedene Kontrastbildgebung vorschlägt. Die am häufigsten verwendeten Ansätze bauen XPCI Systeme Röntgeninterferometer umfassen [11-13], Beugung verbesserte Bildgebung [14-16], XILPCI [17, 18] und Röntgeninterferometer Gitter [19].
Die räumliche Auflösung zum Ausdruck bringt die Macht feine Strukturen zu lösen. Dichte Auflösung (das heißt, Kontrastauflösung) drückt subtile Dichteunterschiede. Derzeit hat die räumliche Auflösung von Mikro-CT kann 2 erreichen um [20] und Mikro-CT kann eine Gewebedichtedifferenz von 0,01 unterscheiden g /cm 3 [21], aber die Bildauflösung von Mikro-CT ist nach wie vor im Millimetermaßstab ohne die Verwendung von bildgebenden Mittel. MRT bietet eine gute Kontrastauflösung und der räumlichen Auflösung von Weichgewebe, aber MRI-Bildauflösung ist nur im Millimetermaßstab. Die räumliche Auflösung durch die Magnetstärke des MRI beschränkt ist, und ist weiter zu erhöhen schwierig.
Derzeit ist die frühzeitige Erkennung von Magenkrebs vor allem abhängig von der Endoskopie und es wird durch eine Biopsie bestätigt. Die Bildauflösung der Endoskopie ist etwa 0,56 mm [22]. Die Patienten fühlten Schmerzen in den Prozess der Prüfung, und es war das Risiko einer Perforation und Blutungen.
Gas-Barium-Doppelkontrast-Röntgen gastrointestinalgraphy ist ein häufiges klinisches Werkzeug Magen-Darm-Bedingungen zu beurteilen. CO 2-Barium wird am häufigsten verwendet, wegen der höheren Sicherheit und niedrigeren Preis. Vor der Untersuchung werden einige aerogene Pulver oral von Patienten eingenommen. Die Reaktionen zwischen den trockenen Pulver wird nicht stattfinden, bis sie Wasser begegnen. Der Magen-Darm-Trakt wird durch das erzeugte CO 2 Gas erweitert werden. Nach ein paar Minuten, nehmen die Patienten oral Barium. Die CO 2-Barium-Doppelkontraströntgenbildgebung kann nicht nur eine optimale Visualisierung der Schleimhaut Anomalien liefern, sondern bewerten auch die Darm-Peristaltik-Funktion [9]. Jedoch ist die Methode zu verwenden, verboten, wenn ein Patient von gastrointestinalen Perforation oder Obstruktion vermutet wird. Die Bildauflösung ist auf der Millimeterskala. Im Prozess der Prüfung müssen die Patienten mehrere Röntgenbestrahlungen erhalten. Es ist langsam zu leeren Barium in den Körper des Patienten nach der Untersuchung.
XILPCI mit CT kombiniert wird, die Bilder auf Basis von Phase-Tomographie zur Verfügung stellt. Phasenkontrast-CT wird auch als Beugungs CT bekannt [23] und ist eine potentiell nützliche Bildgebungsverfahren für Weichteile ohne die Verwendung von bildgebenden Mittel. Die XILPCI Bildauflösung von Weichgewebe kann 0,74 um ohne die Verwendung von Abbildungsmittel erreichen. Es erhöht die Genauigkeit der Erfassung und kann verwendet werden, um Krebs im Frühstadium Läsionen zu beobachten.
Methoden
Aufbau und Proben
Nacktmäuse nicht besitzen normale Thymus und nur Thymus Reste oder abnormal Thymus Epithelzellen haben, die nicht produzieren T-Zellen durch normale Thymus epithelialen Division. Die Lymphknoten und Milz-Lymphozyten von Nacktmäusen sind sehr klein, so nackte Mäuse sind Tiere weniger Lymphozyten und Nacktmäusen besitz zeigen auch Haut- und Haar Atrophie und follikuläre Keratose. In der Regel sind Nacktmäuse als für die Untersuchung menschlicher Krankheiten in der Nähe der humangenetischen Modell unter Labortieren zu sein. Eine Vielzahl von menschlichen Krebsarten sind allgemein in der Lage in Nacktmäusen zu überleben. Aufgrund ihrer Immunschwäche, Nacktmäuse nicht ablehnen Gewebe von anderen Tieren. Deshalb können sie für die Transplantation von bösartigen Krebserkrankungen des Menschen als Empfänger verwendet werden.
In der Pre-Test-Prozess, sowohl die physiologischen Bedingungen der menschlichen Mägen zu simulieren und klare Bilder zu erhalten, fanden wir, dass das Bild sehr klar war, die Anforderungen unserer Experimente gerecht zu werden, wenn wir die Magen-Proben aus Speiseresten und mit Luft gefüllt gereinigt eingesetzt. Deshalb haben wir beschlossen, die mit Luft gefüllten Magen-Proben für die verbleibenden Versuche zu verwenden.
Die Nacktmäuse weiblichen und einem Gewicht von ca. 16 g in unseren Experimenten waren. Insgesamt 36 Nacktmäuse wurden zufällig in 6 Gruppen aufgeteilt für unsere Experimente und jede Gruppe 6 Nacktmäusen. Eine Gruppe ist Nacktmaus normalen Gruppe, und die anderen fünf Gruppen sind Nacktmaus Magenkrebs Gruppen. Die Nacktmäuse in Nacktmaus Magenkrebs-Gruppen wurden mit einer intraperitonealen Injektion von 0,72 mg (45 mg /kg) Pentobarbitalnatrium anästhesiert. Nachdem er betäubt wurde, erhielt jeder Nacktmaus einen Quereinschnitt in seinem Bauch. Der Magen wurde extrudiert wurde ein Schnitt gemacht und die menschliche Magenkrebs BGC823 Zellen [24] wurden in die Nacktmaus Magen transplantiert. Dann wurde die Wunde vernäht. Jeder Vorgang dauerte etwa 10 Minuten. Nach etwa einer Stunde erwachte der Nacktmaus. Nach der Implantation von Magenkrebs-Zellen wurden 2 Tage erlaubt für mögliche Tierimmunreaktionen passieren zu lassen. Nach 3, 5, 7, 9 oder 11 Tagen wurden die Nacktmäuse getötet und die Mägen der Nacktmäuse wurden entfernt. Die Mägen wurden in Formalin gereinigt und gefüllt. Die Speiseröhre und Zwölffingerdarm in der Nähe des Magens wurden getrennt durch die Naht trussed. Die Magen-Proben wurden in einer 10% Formalinlösung fixiert. Das Tier Studie wurde von der Versuchstierethikkommission genehmigt. Die Zertifizierung der Qualität von Tieren Sheng Chan Xv Ke (SCXK Beijing) 2.005-0.004 ist.
Prinzip der XILPCI
Synchrotronstrahlung [25] ist eine elektromagnetische Strahlung in der Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit in einem magnetischen beschleunigt aufgeladen Feld durch die Lorentz-Kraft, wenn mit variabler Geschwindigkeit entlang der Strecke Tangente Richtung bewegt. Als Lichtquelle sind, ihre Vorteile auf der Hand: breites Band, hohe Kollimation, hohe Polarisation, hohe Reinheit, hohe Helligkeit, schmalen Impuls und hoher Kohärenz. Synchrotron-Strahlung hat einen hohen Grad an Stabilität, hohen Durchsatz und einem Mikrostrahldurchmesser.
Die XILPCI Experimente durchgeführt wurden die BL13W1-Strahlrohr der Fazilität Shanghai Synchrotronstrahlung (SSRF) [26]. Die BL13W1-Strahlrohr produziert hauptsächlich 2-dimensionale Bilder von biologischen Geweben mit XILPCI. Die BL13W1-Strahlrohr Teilanlage von SSRF wurde dargestellt als Abbildung 1. XILPCI wird auch Fresnelbeugung bezeichnet [27, 28] oder koaxialen Phasenkontrast-Bildgebung. Im Jahr 1995 verwendet A. Snigirev [29] ein Synchrotron Lichtquelle Phasenkontrastbilder zu erhalten. Die XILPCI Methode erfordert keine zeitliche Kohärenz der Lichtquelle. Es kann mehrfarbigen Lichtquellen verwenden, daher die Notwendigkeit für die lästige Kompliziertheit des monochromen System eliminiert wird. Das Verfahren kann direkt Mikrofokus-Röntgenquellen anstelle von Synchrotronstrahlungsquellen. Dieser Vorteil kann machen XILPCI geeignet für die klinische Medizin in der Zukunft. Abbildung 1 Das Bild von BL13W1-Strahlrohr Teilanlage von SSRF. 1. Ein mehrdimensionales Probentisch. Die Proben werden auf dem Probentisch platziert zu drehen, und Proben wurden in verschiedenen Winkeln erhalten wird. 2. Röntgen CCD. Es erhaltenen Proben "projektive Bilder mit hoher Auflösung. 3. Die genaue Führungsschiene. Es kann die genaue Entfernung von der CCD auf die Proben steuern.
Wenn ein Röntgenstrahl durch eine Probe geht, wie in gewöhnlichen optischen, der komplexe Brechungsindex können ihre Eigenschaften verwendet werden, zu beschreiben. Der Brechungsindex n a etwas kleiner als die Anzahl der 1 ist, kann geschrieben werden als: n
=
1 | -
δ
-
iß
(1) Die reale Komponente δ repräsentiert Phase; und imaginären Teil β repräsentiert Absorption Begriff. δ wird mit physikalischen Phasenverschiebungsabschnitt P zugeordnet ist; und β wird mit dem linearen Absorptionskoeffizient des Materials μ zugeordnet ist. Die Beziehung zwischen ihnen ist wie folgt: δ
=
ρ
e
r
e
λ
2
2
π
,
β
=
μλ
4
π
(2) P
=
2
πδ
λ
,
μ
=
4
πβ
λ
(3) λ ist Röntgenwellenlänge, ρ e ist die Elektronendichte in dem Material, r e ist eine klassische Elektronenradius, und deren Größe durch die Elektronendichte von Objekten 'Innenstrukturen bestimmt wird.
Wenn ein Röntgenstrahl durch das Objekt geht, dessen Phase und Amplitude zu ändern. Phasenänderung wird durch die δ bestimmt und Amplitudendämpfung wird durch die β bestimmt. In Röntgenstrahlen, für leichtere Elemente (wie C, H, O, etc.) des Materials, δ beträgt 1000 mal mehr als β, so dass die Phasenänderungsmenge ist wesentlich größer als die Änderungsgröße der Röntgenabsorptionsdämpfung . Wenn ein Röntgenwellenlänge sehr kurz ist, für schwache Absorptionsmaterialien können die kleinen Veränderungen der Dichte auch große Phasenverschiebungen erzeugen, wodurch eine hohe Phasenkontrast zu gewinnen. Die räumliche Auflösung der Phasenkontrast-Bildgebung kann im Mikrometermaßstab und eine sehr feine Mikrostruktur eines Objektes erreichen kann beobachtet werden.
Wenn einheitliche dazwischen Lichtwellen durch eine unebene Oberfläche Objekt übergeben, sie unweigerlich Phasenänderungen erzeugen, nämlich Wellen 'Verzerrung. Wenn die Verzerrungswellen auf einen bestimmten Abstand zu spreizen fortsetzen, wird die Verzerrungswellen mit den nicht-Verzerrungswellen stören. . Somit kann geschlossen werden, dass eine kohärente Lichtquelle und ein angemessener Abstand von der Lichtquelle zu der Probe zu erhalten und Phasenkontrast-Aufnahmen von der Probe zum Detektor erfordert
Schritte der XILPCI
Spezifische experimentelle Methoden: Die Nacktmäuse Magen Proben menschlichen Magenkrebs transplantierten enthält BGC823 Zellen wurden aus Formalin, umwickelt mit isolierenden Materialien und auf dem Probentisch entnommen.
fanden wir, dass die Röntgenstrahlenergie von 13 keV wurde für Bildgebungsexperiment Anforderungen durch wir wiederholt Röntgenenergie korrigiert. Es werden die Bilder machen zu leicht, wenn Energie von mehr als 13 keV ist. Es wird Abbildungsbelichtungszeit Erhöhung machen, wenn Energie niedriger als 13 keV ist. Die Bilder werden dunkel geworden, wenn die Belichtungszeit zu kurz ist. Wenn wir Belichtungszeit erhöht, dauerte es längere Zeit mehr als 1000 Bilder für die CT-Bildrekonstruktion zu schießen. Magenproben werden zu ernsthaften Deformation geführt werden, wenn die Dreharbeiten Zeit zu lang ist. So 13 keV ist ein optimaler Parameter umfassender Faktoren. Der Abstand von der Lichtquelle zu der Probe ist, die Länge von der SSRF Röntgenquelle auf die Magen Probe auf dem Probentisch. Die Entfernung war 59,3 m. Der Detektor war 85 cm Abstand von der Probe, mit 9 um die Bildauflösung und die Belichtungszeit von 35-45 ms. Es dauerte etwa 20 Minuten XILPCI projektive Bilder um 0,1 Grad Schritten aus dem Grad der 0 bis 180 einer Magenprobe zu erhalten.
Schritte der X-ray Absorption traditionellen Abbildungs ​​Traditional
Absorptions CT Bilder von Magenkrebs Proben wurden durchgeführt, von SIEMENS Inveon Scanner und Inveon Acquisition Workplace mit 1.5 Service Pack verwendet wird. Magenkrebs Proben wurden auf dem Probentisch gelegt und Experimentparameter wurden im Operationsraum, um die experimentellen Anforderungen gerecht zu werden korrigiert. Die minimale Auflösung dieses Gerätes betrug 11 &mgr; m. Die Energie der Röntgenstrahlen betrug 80 keV und 400 uA. Energieparameter haben die Ausrüstung der maximalen Leistung gewesen. Ein Magenkrebs Probe wurde durch Drehen um 360 ° abgetastet. Es brauchte 967 s Magenkrebs Probe zu scannen und Absorption CT-Bilder zur gleichen Zeit.
GLCM Verfahren rekonstruieren kaufen Wir die 9 Graustufe Co-Auftritts-Matrix verwendet (GLCM) Textureigenschaften von Winkel zweiten Moment (ASM) , Trägheit, inverse Differenzmoment (IDM), Entropie, Korrelation, Summendurchschnitt (SA), Differenzmittelwert (DA), Summe Entropie (SE) und Differenz Entropie (DE) [30]. Die GLCM wird als C ij definiert
Angular zweite Moment Formel:. T
1 | =
Σ
i
=
0
K
- 1 | Σ
j
=
0
K
- 1 | C
ij
2
(4) Inertia Formel: T
2
=
Σ
i
=
0
K
- 1 | Σ
j
=
0
K
- 1 | i
- j
2
C
ij
(5) Inverse Differenzmoment Formel: T
3
=
Σ
i
=
0
K
- 1 | Σ
j
=
0
K
- 1 | 1 | 1 | +
i
- j
2
C
ij
(6) Entropy Formel: T
4
=
- Σ
i
=
0
K
- 1
Σ
j
=
0
K
- 1 | C
ij
log
C
ij
(7) Marginal Verteilung von GLCM abgeleitet. c
x
i
=
Σ
j
=
0
K
- 1 | c
ij
(8) c
y
j
=
Σ
i
=
0
K
- 1 | c
ij
(9) μ
x
, μ
y
, σ
x
, σ
Y jeweils den Mittelwert und Standardabweichung der Randverteilung darstellen
die Graustufen- und die Wahrscheinlichkeit Summe der Differenz zwischen i und j ausdrücklich angeben, wie folgt:. c
x
+
y
k
=
Σ
i
+
j
=
k
c
ij
k
=
0
,
1 | ,
2
,
⋯
,
2
K
- 2
(10) c
x
- y
k
=
Σ
i
- j
=
k
c
ij
k
=
0
,
1 | ,
2
,
⋯
,
K
-
1 | (11) Korrelationsformel: T
5
=
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

• Schwere Magen-Varizen Blutung durch Milzarterie Thrombose und in Folge arteriellen bypass
• BRCA1 Gründer Mutationen zu einem erhöhten Risiko von Magenkrebs in der polnischen Bevölkerung nicht dazu beitragen