El uso de un haz de láser incidente oblicua para medir las propiedades ópticas de mucosa estomacal /submucosa tissue

El uso de un haz de láser incidente oblicua para medir las propiedades ópticas de mucosa estomacal /tejido submucosa
Abstract
Antecedentes Francia El propósito del estudio es determinar las propiedades ópticas y sus diferencias para el tejido normal mucosa estómago humano /submucosa en el orificio cardiaco in vitro
en 635, 730, 808, 890 y 980 nm longitud de onda de láser.
Métodos
las mediciones se realizaron usando un detector CCD, y las propiedades ópticas se evaluaron a partir de las mediciones utilizando la reflectancia con resolución espacial, y ajuste no lineal de la ecuación de difusión.
resultados
los resultados de la medición mostraron que los coeficientes de absorción, los coeficientes de dispersión reducido , las profundidades ópticas de penetración, los coeficientes de difusión, la reflectancia difusa y los cambios de reflectancia difusa de las muestras de tejido en cinco longitudes de onda diferentes varían con un cambio de longitud de onda. El coeficiente de absorción máxima para muestras de tejido es 0,265 mm -1 a 980 nm, y el coeficiente de absorción mínima es de 0,0332 mm -1 a 730 nm, y la diferencia máxima en los coeficientes de absorción es 698% entre 730 y 980 nm, y la diferencia mínima es 1,61% entre 635 y 808 nm. El coeficiente máximo reducido de dispersión para las muestras de tejido es 1,19 mm -1 a 635 nm, y el coeficiente de dispersión mínimo reducido es 0,521 mm -1 a 980 nm, y la diferencia máxima en los coeficientes de dispersión reducido es de 128% entre 635 y 980 nm, y la diferencia mínima es 1,15% entre 890 y 980 nm. La profundidad máxima de penetración óptica de muestras de tejido es de 3.57 mm en 808 nm, y la profundidad mínima de penetración óptica es de 1,43 mm a 980 nm. La constante de máxima difusión de las muestras de tejido es 0,608 mm a 890 nm, y la constante de difusión es mínimo 0,278 mm a 635 nm. La máxima reflectancia difusa es de 3,57 mm -1 a 808 nm, y la reflectancia difusa mínimo es de 1,43 mm -1 a 980 nm. El desplazamiento máximo de reflectancia difusa? X es de 1,11 mm -1 a 890 nm, y el cambio mínimo de reflectancia difusa? X es 0,507 mm -1 a 635 nm.
Conclusión
Los coeficientes de absorción, los coeficientes de dispersión reducido, las profundidades de penetración ópticas, los coeficientes de difusión, la reflectancia difusa y los cambios de reflectancia difusa de las muestras de tejido en 635, 730, 808, 890 y 980 nm longitud de onda varían con un cambio de longitud de onda. No hubo diferencias significativas en las propiedades ópticas de las muestras de tejido en cinco longitudes de onda diferentes (P Hotel < 0,01).
Antecedentes
El conocimiento de las propiedades ópticas de los tejidos del estómago humano mucosa /submucosa en el visible e infrarrojo cercano (NIR) rango de longitud de onda es de gran importancia en aplicaciones médicas utilizando la luz [1, 2], por ejemplo, la coagulación con láser para el tratamiento del cáncer gástrico temprano con invasión intramucoso, la terapia de ablación por láser del cáncer gástrico submucosa [3], la terapia de ablación fotodinámica de los primeros tipos de cáncer de estómago [4], gastrointestinales (GI) diagnóstico por la endoscopia estándar de luz blanca (WLE) y el diagnóstico endoscópico de lesiones gastrointestinales premalignas por imagen endoscópica de fluorescencia y espectroscopia [5-7], y la tomografía de coherencia óptica desarrollado recientemente (OCT) [8-10] se ha informado que la imagen de los tejidos GI in vitro e in vivo [11 a 13]. Debido a más de 85% de todos los cánceres se originan en el epitelio que recubre las superficies internas del cuerpo humano. La mayoría de estas lesiones son fácilmente tratable si se diagnostica en un estado temprano [14]. Aparte de los métodos convencionales de diagnóstico de cáncer [15-17], existe una necesidad de desarrollar nuevos enfoques que son simples, objetivo, y no invasivo. Comentario El uso de técnicas ópticas para fines de diagnóstico gastrointestinales se basa en la capacidad de medir la óptica propiedades de tejido gastrointestinal. En los últimos años, un creciente grupo de investigadores ha estado interesado en no ionizante, en el infrarrojo cercano (NIR) se aproxima para detectar y tejidos de imágenes enfermas. Las técnicas propuestas van desde onda continua [18, 19] al dominio de la frecuencia [20, 21] o medidas de tiempo-dependido de la luz dispersada [22, 23]. Estas técnicas se basan en la determinación de las propiedades ópticas de los medios de dispersión. Las propiedades ópticas están representadas por el coeficiente de absorción μ a, el coeficiente de dispersión μ s y el factor de anisotropía g. ya que la detección óptica y formación de imágenes ópticas se basan en diferencias selectivos existentes en las propiedades ópticas de los tejidos sanos y patológicos, es particularmente importante para el propósito de diagnóstico. Por ejemplo, la autofluorescencia inducida por láser (LIAF) espectroscopia se ha encontrado para ser una herramienta prometedora para el diagnóstico precoz del cáncer en el tracto gastrointestinal, incluyendo otros órganos [24, 25]. En consecuencia tejido propiedades ópticas del tejido gastrointestinal humano sano y patológico son importantes para aplicaciones médicas en el diagnóstico y la terapia [26]. Nos centramos en este documento sobre las propiedades ópticas del tejido normal del estómago humano mucosa /submucosa en el orificio cardiaco en el visible y en el infrarrojo cercano gama de longitudes de onda. Los resultados fueron analizados y comparados a partir de estos datos experimentales se obtuvieron.
Teoría
Utilizamos un sencillo de dos fuente del modelo de la teoría de difusión de la resolución espacial, reflectancia difusa en estado estable [27]. Cuando la luz entra en un tejido semi-infinita, por lo general dispersar un número de veces antes de que cualquiera de ser absorbido o escapar de la superficie del tejido en un punto distinto de su punto de entrada. La luz se multiplican dispersos que se escapa se llama reflectancia difusa. Wang y Jacques creen que tanto para incidencia normal y oblicua, la expresión más precisa para la longitud del camino de la superficie del tejido a la fuente de punto positivo es lo que se han definido como 3D (D es el coeficiente de difusión) en lugar de 1 mfp '( mfp 'es el recorrido libre medio de transporte). Estos dos casos se esquematizan en la Ref. [28]. El perfil de reflectancia difusa para incidencia oblicua está centrada sobre la posición de las fuentes puntuales, el desplazamiento? X encontrando el centro de reflectancia difusa con respecto al punto de entrada de luz se puede medir. Como es el caso de incidencia normal, el modelo de la teoría de difusión, cuando desplazada? X, también está de acuerdo con los resultados de Monte Carlo exterior de 1-2 mfp 'del centro de reflectancia difusa, la cual, es importante reiterar, ya no es por lo el punto de entrada como se muestra en la Ref. [28]. El modelo de las dos fuentes, con una profundidad de 3D en lugar de 1 mfp ', da la siguiente expresión [27, 28]: (1), que se pueden ampliar arbitrariamente para adaptarse a un perfil de reflectancia relativa que no está en unidades absolutas. Donde, μ EFF es el coeficiente de atenuación efectiva, se define como (2) ρ
1 y ρ
2 son las distancias de las dos fuentes, hasta el punto de interés (la . punto de recogida de luz, véase la referencia [28]), y la condición de contorno se incluye en el término a [28]: (3) donde (4) (5) n tejido es el índice de refracción del tejido, n ambiente es el índice de refracción de la ambiente, y n rel es el índice de refracción relativo de la interfaz de aire de tejido. Un rayo láser es incidente de forma oblicua en la cara superior de la muestra de tejido, donde, θ tejido es el ángulo de incidencia del haz de láser. D es el coeficiente de difusión, se puede calcular a partir de? X (6) en la que,? X es la distancia entre el punto de incidencia de la luz y el centro aparente de reflectancia difusa. De acuerdo con Lin al [28] esta constante de difusión es igual a (7) con μ s 'el coeficiente de dispersión reducido, es decir, μ s (1-g), μ a el coeficiente de absorción et. Las propiedades ópticas, μ A y μ s 'se resolvieron a partir de las expresiones y las expresiones de μ A y μ s' se muestran a continuación (8) (9) El método para determinar las propiedades ópticas del tejido, μ a y μ s ', necesita la muestra el perfil de reflectancia difusa relativa en posiciones conocidas desde el punto de entrada de la luz, y la necesidad de calcular? x y D, y la necesidad de realizar una no lineal por mínimos cuadrados encajar con el método de Levenberg-Marquardt [29-31] en (1) para determinar μ eff, y luego necesita resolver para μ a y μ s 'de las expresiones. El método se muestra detalladamente en la Ref. [28].
Métodos Preparación de la muestra

tejidos humanos mucosa estomacal /submucosa normales en el orificio cardiaco fueron investigados en este estudio. Las muestras de tejido fueron tomadas de 12 estómagos humanos normales en el orificio cardiaco se determinaron a partir examen histológico, inmediatamente después de la escisión de los tejidos. Cada muestra de estómago eliminado se enjuagó inmediatamente brevemente en solución salina para eliminar el exceso de sangre superficie y se quitó las grasas de la superficie, se colocó en una botella con solución salina tan pronto como sea posible, y se almacenó en un refrigerador a -70 ° C. A partir de muestras de tejido de un total de 12 muestras normales mucosa estomacal /tejido submucoso, con un espesor medio de (10,32 ± 0,26) mm, se utilizaron el plazo máximo de 24 h después de quitar. El espesor de cada muestra se mide y se registra con un pie de rey con error 0,02 mm. Todas las muestras de tejido fueron tomadas, respectivamente, de la nevera antes de la medición, se colocaron en el escritorio experimental a la temperatura ambiente de 20 ° C durante una hora, y luego se miden todas las muestras de tejido descongelación a su vez el uso de un haz de láser incidente oblicua y la cámara CCD, respectivamente.
mediciones de reflectancia difusa del tejido
Figura 1 muestra un diagrama esquemático de la configuración experimental que se utiliza para medir el perfil relativo de reflectancia difusa, y la tabla 1 muestra la información sobre la fuente de luz en el experimento. Las muestras de tejido fueron iluminadas con luz colimada de 635, 730, 808, 890 y 980 nm de longitud de onda del láser, respectivamente. La salida de toda la luz láser se expande por el expansor de haz de 25 veces, y luego fueron atenuadas (a una fuente de a lo sumo 5 mW) por los atenuadores de luz, y se refleja en los espejos, se pasaron a través de un 2 mm del agujero de alfiler y una 35,2 mm de enfoque de la lente, y luego el incidente oblicuamente sobre la cara superior de la muestra de tejido de la mucosa del estómago /submucosa en un ángulo de 45 grados entre el eje de láser y la normal a la superficie del tejido (α i = 45 °), respectivamente . Un pequeño trozo de regla transparente (con gradaciones milímetros) se colocó sobre la superficie de la muestra para la escala, y una cierta graduación de la regla se niveló a la porción de centro del punto de incidencia del haz de láser, y la graduación es designado como el origen de la coordenada x. Desde la parte superior de la muestra se puede observar un patrón de reflectancia. Este patrón se forma la imagen en un detector de 795 × 596 píxeles bidimensional del dispositivo de carga acoplada (CCD) (Nikon, Guay Pix, 995, Japón). El haz incidente se puede observar como la zona más intensa en la imagen. Porque, el haz de láser era oblicua a la superficie del patrón de reflectancia era asimétrico cerca del punto de incidencia, pero la reflectancia difusa lejos de la fuente de círculos concéntricos formados, aproximadamente, y la distancia entre el origen de la coordenada x y el centro de los círculos concéntricos es la distancia? x, y del centro de los círculos concéntricos también se calcula. Desde la distancia Dx la constante de difusión se puede calcular utilizando (6), con la constante de difusión D en mm,? X la distancia en mm. Esta prueba consistió de repetir diez veces las mediciones de reflectancia, y los resultados medidos fueron reproducibles para una muestra específica en longitud de onda específica. Para cada prueba, las posiciones del punto de luz incidente sobre la superficie de la muestra se han alterado para disminuir el efecto de la heterogeneidad del tejido en las mediciones de reflectancia, y cada prueba en cada longitud de onda del láser se llevó a cabo en la misma condición de la experimentación, y la exposición el tiempo se fijó en 800 ms. Un total de once muestras de tejido se usaron para las mediciones in vitro. La adquisición de datos CCD fueron controlados por un ordenador para el propósito. Procesamiento de datos y análisis de los archivos de datos se realizaron utilizando software personalizado escrito en Matlab (Matlab, Mathworks Incorporated, Massachusetts) .table 1 tipo, modelo de láser y la potencia de salida de la utilización de la fuente de luz en el experimento
fuente de luz
modelo
Potencia de salida
635 nm de longitud de onda del láser de diodo
Nlight, EE.UU., modelo NL-FBA-2,0-635
P ≤ 5 mW
730 y 890 nm longitud de onda de laser de titanio anillo de S
cOHERENTE, EE.UU., modelo 899-05
P ≤ 5 mW
808 nm de longitud de onda del láser de diodo
Nlight , EE.UU., modelo NL-FCA-20-808
P ≤ 5 mW
980 nm de longitud de onda del láser de diodo
Nlight, EE.UU., modelo NL-FCA-30-980
P ≤ 5 mW
Figura 1 diagrama esquemático del montaje experimental utilizado para la medición de la constante de difusión y la distribución de la luz de reflexión difusa. el análisis estadístico

parámetros ópticos de muestras de tejidos biológicos se expresaron como la media ± desviación estándar, se demostró por un test t de Student
, y se consideraron significativos valores de p <
valores; 0.01. El SPSS10 se utilizó para el análisis estadístico.
Resultados
Las propiedades ópticas se expresan como la media ± desviación estándar para todas las mediciones de las muestras. Las figuras 2, 3, 4, 5, 6 y 7 presentan la dependencia de longitud de onda de los coeficientes de absorción, los coeficientes de dispersión reducido, las profundidades de penetración óptica, los coeficientes de difusión, la reflectancia difusa y los cambios de reflectancia difusa para estómago normal mucosa /submucosa los tejidos en el orificio cardíaco en cinco diferentes longitudes de onda de láser, respectivamente. Las líneas verticales corresponden a los valores de desviación estándar (SD), que se determina por un test t de Student
, y aparecen barras de error en 635, 730, 808, 890 y 980 nm longitud de onda de láser para mayor claridad y representan uno desviación estándar en la μ a, μ s ', δ, D, R valores? x ∞ y. Figura 2 La dependencia de longitud de onda de los coeficientes de absorción mu una de los tejidos normales de estómago mucosa /submucosa en el orificio cardiaco. Los puntos en blanco corresponden a los coeficientes de absorción promediados y las líneas verticales muestran los valores de DE.
Figura 3 La longitud de onda y los coeficientes de dispersión reducido μ s 'de los tejidos normales mucosa estomacal /submucosa en el orificio cardiaco. Los puntos en blanco corresponden a los coeficientes de dispersión reducido promediados y las líneas verticales muestran los valores de DE.
Figura 4 los ópticos profundidades de penetración δ de los tejidos normales mucosa estomacal /submucosa en el orificio cardiaco a 635, 730, 808, 890 y 980 Nuevo Méjico. Los puntos en blanco corresponden a las profundidades medias de penetración óptica y las líneas verticales muestran los valores de DE.
Figura 5 Los coeficientes de difusión D de la luz en los tejidos normales mucosa estomacal /submucosa en el orificio cardiaco en 635, 730, 808, 890 y 980 nm. Los puntos en blanco corresponden a los coeficientes medios de difusión y las líneas verticales muestran los valores de DE.
Figura 6 La reflectancia difusa R ∞ de los tejidos normales mucosa estomacal /submucosa en el orificio cardiaco a 635, 730, 808, 890 y 980 nm . Los puntos en blanco corresponden a la reflectancia difusa media y las líneas verticales muestran los valores de DE.
Figura 7 El cambio? X de reflectancia difusa de los tejidos normales mucosa estomacal /submucosa en el orificio cardiaco a 635, 730, 808, 890 y 980 Nuevo Méjico. Los puntos en blanco corresponden a la media de desplazamiento? X de reflectancia difusa y las líneas verticales muestran los valores de DE.
Discusión
las propiedades ópticas de un tejido biológico depende de su composición bioquímica y su estructura celular y subcelular. En el rango visible y en el infrarrojo cercano, las propiedades de absorción están relacionados con la concentración de cromóforos, tales como oxihemoglobina y desoxihemoglobina, grasa y agua [32]. Tales cromóforos varían significativamente con el metabolismo del tejido [33]. Las propiedades de dispersión están relacionados con la distribución del tamaño de las células y orgánulos, que son parámetros que se utilizan para diferenciar normal a partir de tejidos anormales en histopatología estándar [34]. Por lo tanto, las mediciones ópticas tienen un gran potencial para el desarrollo de herramientas de diagnóstico in vivo
médicos no invasivos, a menudo llamados "biopsia óptica". Dichas técnicas deben mejorar significativamente la eficiencia de biopsias o ayudar en la determinación de los márgenes del tumor en un campo quirúrgico. De acuerdo con nuestros datos experimentales, los coeficientes de absorción, los coeficientes de dispersión reducido, las profundidades de penetración ópticos, los coeficientes de difusión, la reflectancia difusa y los cambios de reflectancia difusa de los tejidos normales mucosa estomacal /submucosa en el orificio cardiaco a 635, 730, 808 , 890 y 980 nm se determinaron in vitro. En nuestro estudio, es interesante observar las propiedades ópticas medidas y sus diferencias para las muestras de tejido en cinco diferentes longitudes de onda láser. Creemos que las propiedades ópticas deben ayudar al diagnóstico patológico y tratamiento médico para la mucosa gastrointestinal maligno o premaligna con facilidad mediante el uso de métodos ópticos.
La Figura 2 y la Figura 3 muestran los coeficientes de absorción y los coeficientes de dispersión reducido de muestras de tejido en cinco láser diferente longitudes de onda, respectivamente. De la Figura 2 y la Figura 3, se puede observar que los coeficientes de absorción para las muestras de tejido se incrementan con el aumento de las longitudes de onda de láser, excepto para el coeficiente de absorción a 730 nm, y los coeficientes de dispersión reducido de muestras de tejido a disminuir con el aumento de las longitudes de onda de láser . No hubo diferencias significativas en los coeficientes de absorción a cinco longitudes de onda diferentes láser (P Restaurant < 0,01). El los coeficientes de absorción máxima y mínima son 0.265 mm -1 a 980 nm y 0,0332 mm -1 a 730 nm, respectivamente. El mínimas las diferencias de los coeficientes de absorción máxima y son 698% entre 730 y 980 nm y 1,61% entre 635 y 808 nm, respectivamente. También hubo diferencias significativas en los coeficientes de dispersión reducido en cinco diferentes longitudes de onda láser (P Hotel < 0,01). El máximo y el mínimo reducidos coeficientes de dispersión son de 1,19 mm -1 a 635 nm y 0.521 mm -1 a 980 nm, respectivamente. La las diferencias mínimas de los coeficientes de dispersión reducido máximo y son 128% entre 635 y 980 nm y 1,15% entre 890 y 980 nm, respectivamente.
Figura 4 muestra que las profundidades de penetración óptica para muestras de tejido varían con el aumento de laser longitudes de onda. No hubo diferencias significativas en las profundidades de penetración óptica a cinco diferentes longitudes de onda de láser (P Restaurant < 0,01). El las profundidades mínimas de penetración máxima y ópticas son de 3,57 mm a 808 nm y 1,43 mm a 980 nm, respectivamente. El las diferencias mínimas de las profundidades de penetración óptica máxima y son 150% entre 808 y 980 nm y 5,36% entre 730 y 890 nm, respectivamente. De la Figura 5, se puede observar que los coeficientes de difusión para muestras de tejido varían con el aumento de las longitudes de onda de láser. También hubo diferencias significativas en los coeficientes de difusión en cinco diferentes longitudes de onda de láser (P Restaurant < 0,01). El los coeficientes de difusión máxima y mínima son 0.608 mm -1 a 890 nm y 0,278 mm -1 a 635 nm, respectivamente. El mínimas las diferencias de los coeficientes de difusión máxima y son 119% entre 635 y 890 nm y el 12,0% entre 890 y 980 nm, respectivamente. Figura 6 muestra que la reflectancia difusa de las muestras de tejido a disminuir con el aumento de las longitudes de onda de láser. No hubo diferencias significativas en la reflectancia difusa en cinco diferentes longitudes de onda de láser (P Restaurant < 0,01). El la reflectancia difusa mínimo y máximo son 0.456 a 635 nm y 980 nm en 0,0732, respectivamente. El mínimas las diferencias de la reflectancia difusa máximo y son 523% entre 635 y 980 nm y 7,29% entre 635 y 730 nm, respectivamente. De la Figura 7, se puede observar que el desplazamiento? X de reflectancia difusa para muestras de tejido varían con el aumento de las longitudes de onda de láser. También hubo diferencias significativas en el cambio? X de reflectancia difusa en cinco diferentes longitudes de onda de láser (P Restaurant < 0,01). El máximo y el mínimo desplazamiento Dx de reflectancia difusa son de 1,11 mm a 890 nm y 0.507 mm a 635 nm, respectivamente. La las diferencias mínimas del cambio? X de reflectancia difusa máximo y son 119% entre 635 y 890 nm y 11,7% entre 890 y 980 nm, respectivamente.
Existen diferencias significativas en las propiedades ópticas de las muestras de tejido entre diferentes longitudes de onda de láser (P
< 0,01). Bashkatov, et al. [35] y Holmer et al. [36] han informado de las propiedades ópticas del tejido gástrico por diferentes métodos de medición ópticos, nuestros datos que la dependencia de longitud de onda del coeficiente de absorción, el coeficiente de dispersión reducido y la profundidad de penetración óptica de la mucosa de la pared del estómago humano son muy similares para comparar los datos de Bashkatov, et al. y Holmer et al. con nuestros datos en el rango espectral de 600 a 1000 nm.
Conclusión
En conclusión, los resultados presentados aquí indican que las diferencias en las propiedades ópticas, es decir, los coeficientes de absorción, los coeficientes de dispersión reducido, la profundidad de penetración óptica , los coeficientes de difusión, la reflectancia difusa y los cambios de reflectancia difusa para estómago normal tejidos mucosa /submucosa en el orificio cardiaco en 635, 730, 808, 890 y 980 nm son significativos in vitro (P
< 0,01), y el potencial y la promesa de utilizar un haz de láser incidente oblicua para medir las propiedades ópticas del tejido para los estudios clínicos. Los tejidos de diversas patologías tienen propiedades ópticas diferentes tejidos, y tejidos de diferentes lugares para estómagos humanos normales tienen propiedades ópticas diferentes tejidos [2]. Los resultados preliminares presentados se pueden utilizar para el desarrollo de tecnologías ópticas y pueden ser útiles en el diagnóstico terapia anterior, fotodinámica y fototérmica en el tracto gastrointestinal
abreviaciones
NIR:.
Infrarrojo cercano

GI:
gastrointestinal
WLE:
blanco endoscopia luz
OCT:
tomografía de coherencia óptica
LIAF:
autofluorescencia inducida por láser
mfp ':
el transporte recorrido libre medio

D:
el coeficiente de difusión
SD: desviación estándar

Declaraciones
Reconocimientos
los autores desean reconocer la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (número de artículo 30470494; 30627003), y la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Guangdong (número de artículo 7117865) para apoyar este trabajo.
Los autores originales presentados archivos de imágenes
A continuación se presentan los enlaces a los autores originales presentados archivos de imágenes. 'archivo original para la figura 1 12876_2008_356_MOESM2_ESM.pdf autores 12876_2008_356_MOESM1_ESM.pdf Autores archivo original de la figura 2 12876_2008_356_MOESM3_ESM.pdf autores archivo original de la figura 3 12876_2008_356_MOESM4_ESM.pdf autores archivo original de la figura 4 12876_2008_356_MOESM5_ESM.pdf archivo original de los autores de la figura 5 'archivo original para la figura 6 12876_2008_356_MOESM7_ESM.pdf autores 12876_2008_356_MOESM6_ESM.pdf autores archivo original para la figura 7 Conflicto de intereses México La autores declaran que no tienen intereses en competencia.

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