En utilisant un faisceau laser incident oblique pour mesurer les propriétés optiques de la muqueuse de l'estomac /sous-muqueuse tissue

utilisant un faisceau laser incident oblique pour mesurer les propriétés optiques de l'estomac muqueuse /tissu sous-muqueux
Résumé de l'arrière-plan
Le but de l'étude est de déterminer les propriétés optiques et leurs différences pour la muqueuse de l'estomac humain /tissu sous-muqueux normale dans l'orifice cardiaque in vitro
à 635, 730, 808, 890 et 980 nm longueurs d'onde de méthodes de laser.
les mesures ont été effectuées à l'aide d'un détecteur CCD, et les propriétés optiques ont été évaluées à partir des mesures utilisant la réflectance résolue spatialement, et le montage non linéaire de l'équation de diffusion.: résultats
les résultats de mesure ont montré que les coefficients d'absorption, les coefficients de diffusion réduits , les profondeurs optiques de pénétration, les coefficients de diffusion, la réflexion diffuse et les variations de réflectance diffuse des échantillons de tissus à cinq longueurs d'onde différentes varient avec un changement de longueur d'onde. Le coefficient d'absorption maximum pour des échantillons de tissu est de 0,265 mm -1 à 980 nm et le coefficient d'absorption minimale est de 0,0332 mm -1 à 730 nm, et la différence maximale entre les coefficients d'absorption est de 698% entre 730 et 980 nm et la différence minimale est de 1,61% entre 635 et 808 nm. Le coefficient de diffusion réduit au maximum pour des échantillons de tissu est de 1,19 mm -1 à 635 nm et le coefficient de diffusion minimale réduite est 0.521 mm -1 à 980 nm, et la différence maximale des coefficients de diffusion réduit est 128% entre 635 et 980 nm, et l'écart minimal est de 1,15% entre 890 et 980 nm. La profondeur de pénétration optique maximale pour les échantillons de tissu est de 3,57 mm à 808 nm, et la profondeur de pénétration minimale optique est de 1,43 mm à 980 nm. La constante de diffusion maximal pour des échantillons de tissu est de 0.608 mm à 890 nm et la constante de diffusion minimale est de 0.278 mm à 635 nm. La réflectance diffuse maximale est de 3,57 mm -1 à 808 nm, et la réflectance diffuse minimale est de 1,43 mm -1 à 980 nm. Le décalage maximum Dx de réflectance diffuse est 1.11 mm -1 à 890 nm, et le décalage minimum Dx de réflectance diffuse est 0,507 mm -1 à 635 nm.
Conclusion
Les coefficients d'absorption, les coefficients de diffusion réduit, la profondeur de pénétration optique, les coefficients de diffusion, la réflexion diffuse et les variations de réflectance diffuse des échantillons de tissus à 635, 730, 808, 890 et 980 nm longueurs d'onde varient avec un changement de longueur d'onde. Il y avait des différences significatives dans les propriétés optiques des échantillons de tissus à cinq longueurs d'onde différentes (P
< 0,01) Connaissance
Contexte des propriétés optiques pour les tissus muqueuse /sous-muqueuse de l'estomac humain dans le visible et le proche infrarouge. (NIR) plage de longueur d'onde est d'une grande importance dans les applications médicales utilisant la lumière [1, 2], par exemple, la coagulation au laser pour le traitement du cancer gastrique précoce avec envahissement intramuqueux, laser thérapie d'ablation de la sous-muqueuse cancer gastrique [3], la thérapie d'ablation photodynamique des premiers cancers de l'estomac [4], gastro-intestinal (GI) le diagnostic par l'endoscopie standard lumière blanche (WLE) et le diagnostic endoscopique des lésions gastro-intestinales précancéreuses par imagerie de fluorescence endoscopique et spectroscopie [5-7], et la tomographie par cohérence optique récemment développé (OCT) [8-10] a été rapporté à l'image des tissus gastro-intestinaux in vitro et in vivo [11-13]. Parce que plus de 85% de tous les cancers proviennent de l'épithélium qui tapissent les surfaces internes du corps humain. La majorité de ces lésions sont facilement traitable si elle est diagnostiquée à un stade précoce [14]. Outre les méthodes classiques de diagnostic de cancer [15-17], il est nécessaire de développer de nouvelles approches qui sont simples, objectives et non invasive.
L'utilisation de techniques optiques à des fins de diagnostic gastro-intestinaux repose sur la capacité de mesurer l'optique propriétés du tissu gastro-intestinal. Au cours des dernières années, un groupe croissant de chercheurs a été intéressé par non ionisant, proche infrarouge (NIR) approches pour la détection et les tissus d'imagerie malades. Les techniques proposées vont de la vague continue [18, 19] pour le domaine fréquentiel [20, 21] ou des mesures de temps dépend de la lumière diffusée [22, 23]. Ces techniques sont basées sur la détermination des propriétés optiques des milieux diffusants. Les propriétés optiques sont représentées par le coefficient d'absorption μ a, le coefficient de dispersion μ et le facteur d'anisotropie g. étant donné que la détection optique et l'imagerie optique sont basées sur des différences sélectives qui existent dans les propriétés optiques des tissus sains et pathologiques, il est particulièrement important pour des fins diagnostiques. Par exemple, autofluorescence induite par laser (LIAF) spectroscopie a été trouvé pour être un outil prometteur pour le diagnostic précoce du cancer dans le tractus gastro-intestinal, y compris d'autres organes [24, 25]. En conséquence des propriétés optiques des tissus de tissu gastro-intestinal humain sain et pathologique sont importantes pour des applications médicales dans le diagnostic et la thérapie [26]. Nous nous concentrons dans cet article sur les propriétés optiques des tissus humains estomac muqueuse /sous-muqueuse normale dans l'orifice cardiaque au visible et proche infrarouge de longueur d'onde. Les résultats ont été analysés et comparés à partir de ces données expérimentales, nous avons obtenu.
Théorie
Nous utilisons un modèle de la théorie de la diffusion de deux sources simples de résolution spatiale, l'état d'équilibre réflectance diffuse [27]. Lorsque la lumière pénètre un tissu semi-infini, il sera généralement disperser un certain nombre de fois avant, soit être absorbé ou d'échapper à la surface du tissu à un point autre que son point d'entrée. La lumière plusieurs fois dispersée qui échappe est appelé réflectance diffuse. Wang et Jacques estiment que, pour la fois l'incidence normale et oblique, l'expression plus précise de la longueur du trajet à partir de la surface du tissu à la source de point positif est ce qu'il a été défini comme 3D (D est le coefficient de diffusion) au lieu de 1 PMF »( mfp 'est le transport libre parcours moyen). Ces deux cas ont été schématisés dans la réf. [28]. Le profil de réflectance diffuse pour l'incidence oblique est centrée autour de la position des sources ponctuelles, le décalage Dx en trouvant le centre de réflectance diffuse par rapport au point d'entrée de lumière peut être mesurée. Comme cela est le cas pour une incidence normale, le modèle de la théorie de la diffusion, alors décalée de Dx, est également d'accord avec résultats Monte Carlo à l'extérieur de 1-2 mfp 'du centre de réflexion diffuse, qui, il est important de rappeler, est plus à le point d'entrée comme indiqué dans la référence. [28]. Le modèle à deux sources, avec une profondeur de la 3D au lieu de 1 mfp ', donne l'expression suivante [27, 28]: (1) qui peut être mise à l'échelle arbitraire pour adapter un profil de réflectance relative qui ne sont pas en unités absolues. Où, μ eff est le coefficient d'atténuation efficace, est définie comme (2) ρ
1 et ρ
2 sont les distances entre les deux sources au point d'intérêt (le . point de collecte de lumière, voir la référence [28]), et la condition limite est inclus dans le terme A [28]: (3) où (4) (5) n tissu est l'indice de réfraction du tissu, n ambiant est l'indice de réfraction de l'atmosphère ambiante, et n rel est l'indice de réfraction relatif de l'interface tissu-air. Un faisceau laser est incident obliquement sur la face supérieure de l'échantillon de tissu, où, θ tissu est l'angle d'incidence du faisceau laser. D est le coefficient de diffusion, il peut être calculé à partir de Dx (6) où, Dx est la distance entre le point d'incidence de la lumière et le centre apparent de réflectance diffuse. Selon Lin et al [28], cette constante de diffusion est égale à (7) avec μ 's du coefficient de diffusion réduit, à savoir μ (1 g) s, μ un coefficient de l'absorption. Les propriétés optiques, μ a et μ s 'ont été résolus par les expressions et les expressions de μ a et μ s' sont indiquées comme suit (8) (9) La méthode pour déterminer les propriétés optiques des tissus, μ a et μ s ', doivent échantillonner le profil relatif de réflectance diffuse à des positions connues du point d'entrée de lumière, et le besoin de calculer Dx et D, et ont besoin d'effectuer un non linéaire des moindres carrés adapter à la méthode de Levenberg-Marquardt [29-31] sur (1) μ eff déterminer, puis besoin de résoudre pour μ a et μ s 'des expressions. La méthode a été montré dans detailedly Ref. [28].
Méthodes de la préparation des échantillons
tissus muqueuse de l'estomac humain /sous-muqueuse normale dans l'orifice cardiaque ont été étudiés dans cette étude. Des échantillons de tissus ont été prélevés dans 12 estomacs humains normaux dans l'orifice cardiaque ont été déterminées à partir de l'examen histologique, immédiatement après l'excision des tissus. Chaque échantillon de l'estomac enlevé a été immédiatement rincé brièvement dans une solution saline pour éliminer l'excès de sang de surface et décollée graisses de surface, a été placé dans une bouteille avec une solution saline, dès que possible, et a été stocké dans un réfrigérateur à -70 ° C. À partir d'échantillons tissulaires un total de 12 échantillons de muqueuse gastrique /tissu sous-muqueux normal, avec une épaisseur moyenne (10,32 ± 0,26) mm, ont été utilisées dans un délai maximum de 24 heures après suppression. L'épaisseur de chaque échantillon a été mesurée et enregistrée avec un pied à coulisse avec une erreur de 0,02 mm. Tous les échantillons de tissus ont été respectivement retirés du réfrigérateur avant la mesure, ont été placés sur un bureau expérimental à la température ambiante de 20 ° C pendant une heure, puis tous les échantillons de tissus de décongélation ont été mesurées à son tour à l'aide d'un faisceau laser incident oblique et une caméra CCD, respectivement
réflex de réflectance du tissu
la figure 1 montre un schéma du dispositif expérimental qui est utilisé pour mesurer le profil relatif de réflectance diffuse, et le tableau 1 renseigne sur la source de lumière sur l'expérience.. Les échantillons de tissu ont été illuminées avec de la lumière collimatée à partir de 635, 730, 808, 890 et 980 nm, longueur d'onde de laser, respectivement. La sortie de toute lumière laser ont été élargis par le détendeur de faisceau de 25 fois, puis ont été atténués (à une puissance d'au plus 5 mW) par les atténuateurs de lumière, et sont reflétées par les miroirs, ont été passés à travers un 2 mm sténopé et un 35,2 mm foyer de la lentille, puis l'incident obliquement sur la face supérieure de l'échantillon de tissu de la muqueuse stomacale /sous-muqueuse à un angle de 45 degrés entre l'axe du laser et la normale à la surface du tissu (α i = 45 °), respectivement . Un petit morceau de règle transparente (avec des gradations de millimètre) a été placée sur la surface de l'échantillon pour l'échelle, et une certaine graduation de la règle a été nivelé à la partie centrale du point d'incidence du faisceau laser, et la graduation est désigné comme origine des coordonnées x. À partir de la partie supérieure de l'échantillon un motif de réflexion peut être observée. Ce modèle est imagé sur un 795 × 596 pixels en deux dimensions Charge Coupled Device (CCD) détecteur (Nikon, Cool Pix, 995, Japon). Le faisceau incident peut être observé que la zone la plus intense dans l'image. Parce que, le faisceau laser est oblique par rapport à la surface du motif de réflectance était asymétrique près du point d'incidence, mais la réflectance diffuse loin de la source des cercles concentriques formés, environ, et la distance entre l'origine des coordonnées x et le centre de les cercles concentriques est la distance Dx, et le centre des cercles concentriques est également calculé. De la distance Dx la constante de diffusion peut être calculée en utilisant de la (6), avec D la constante de diffusion en mm, la distance Dx en mm. Ce test consiste à répéter dix mesures des temps de réflexion, et les résultats mesurés ont été reproductibles pour un échantillon spécifique à une longueur d'onde spécifique. Pour chaque test, les positions de la tache de la lumière incidente sur la surface de l'échantillon ont été modifiés pour diminuer l'effet de l'hétérogénéité des tissus sur les mesures de réflectance, et chaque essai à chaque longueur d'onde laser a été réalisée dans le même état d'expérimentation, et l'exposition le temps a été fixé à 800 ms. Un total de onze échantillons de tissus ont été utilisés pour les mesures in vitro. L'acquisition de données CCD ont été contrôlés par un ordinateur à cet effet. Traitement des données et analyse des fichiers de données ont été effectuées en utilisant un logiciel personnalisé écrit en Matlab (Matlab, Mathworks Incorporated, Massachusetts) .Table 1 Types, modèle de sortie de laser et la puissance de l'utilisation de la source de lumière sur l'expérience
Source de lumière
modèle
la puissance de sortie
635 nm longueur d'onde de laser à diode
nLight, États-Unis, le modèle NL-FBA-2,0-635
P ≤ 5 mW
730 et 890 longueurs d'onde de Ti nm: laser annulaire S
COHERENT, États-Unis, modèle 899-05
P ≤ 5 mW
808 nm longueur d'onde de laser à diode
nLight , États-Unis, le modèle NL-FCA-20-808
P ≤ 5 mW
980 nm longueur d'onde de laser à diode
nLight, États-Unis, le modèle NL-FCA-30-980
P ≤ 5 mW
Figure 1 diagramme schématique du dispositif expérimental que celui utilisé pour la mesure de la constante de diffusion et la distribution de la lumière de réflexion diffuse.
analyse statistique
paramètres optiques des échantillons de tissus biologiques ont été exprimés comme la moyenne ± écart-type, ont été démontrées par un étudiant t
-test, et ont été considérés comme significatifs à p
valeurs < 0,01. Les résultats de l'SPSS10 a été utilisé pour l'analyse statistique.
Les propriétés optiques sont exprimés par la moyenne ± écart-type pour toutes les mesures pour les échantillons. Les figures 2, 3, 4, 5, 6 et 7 présentent la dépendance à la longueur d'onde des coefficients d'absorption, le coefficient de diffusion réduit, la profondeur de pénétration optique, les coefficients de diffusion, la réflexion diffuse et les variations de la réflectance diffuse de l'estomac muqueuse normale /sous-muqueuse tissus dans l'orifice cardiaque à cinq longueurs d'onde différentes de laser, respectivement. Les lignes verticales correspondent aux valeurs de déviation standard (SD), qui est déterminé par un étudiant t
-test, et les barres d'erreur apparaissent à 635, 730, 808, 890 et 980 nm longueurs d'onde de laser pour plus de clarté et représentent une écart-type dans le μ a, μ 's, δ, D, R ∞ et les valeurs Ax. Figure 2 La dépendance à la longueur d'onde des coefficients d'absorption des tissus u une muqueuse gastrique /sous-muqueuse normale dans le cardia. Les points blancs correspondent aux coefficients d'absorption moyennes et les lignes verticales indiquent les valeurs de SD.
Figure 3 La dépendance de longueur d'onde des coefficients de diffusion réduit μ s 'des tissus muqueuse de l'estomac /sous-muqueuse normale dans l'orifice cardiaque. Les points blancs correspondent aux coefficients de diffusion réduits moyennes et les lignes verticales indiquent les valeurs de SD.
Figure 4 Les optiques profondeurs de pénétration δ de tissus muqueuse de l'estomac /sous-muqueuse normale dans l'orifice cardiaque à 635, 730, 808, 890 et 980 nm. Les points blancs correspondent aux profondeurs moyennes de pénétration optique et les lignes verticales indiquent les valeurs de DD.
Figure 5 Les coefficients de diffusion D de la lumière dans les tissus des muqueuses de l'estomac /sous-muqueuse normale dans l'orifice cardiaque à 635, 730, 808, 890 et 980 nm. Les points blancs correspondent aux coefficients de diffusion moyenne et les lignes verticales indiquent les valeurs de SD.
Figure 6 La réflectance diffuse R ∞ des tissus muqueuse de l'estomac /sous-muqueuse normale dans l'orifice cardiaque à 635, 730, 808, 890 et 980 nm . Les points blancs correspondent à la réflectance diffuse en moyenne et les lignes verticales indiquent les valeurs de SD.
Figure 7 Le déplacement Dx de réflectance diffuse des tissus muqueuse de l'estomac /sous-muqueuse normale dans l'orifice cardiaque à 635, 730, 808, 890 et 980 nm. Les points blancs correspondent au décalage moyen Dx de réflectance diffuse et les lignes verticales indiquent les valeurs de DD Rapport
Les propriétés optiques d'un tissu biologique. Dépendent de sa composition biochimique et sa structure cellulaire et subcellulaire. Dans le domaine visible et le proche infrarouge, les propriétés d'absorption sont liées à la concentration des chromophores, tels que l'oxyhémoglobine et de la désoxyhémoglobine, de la graisse et de l'eau [32]. Ces chromophores varient de manière significative avec le métabolisme des tissus [33]. Les propriétés de dispersion sont liés à la distribution de la taille des cellules et des organelles, des paramètres qui sont utilisés pour différencier normal à partir de tissus anormaux dans histopathologie standard [34]. Par conséquent, les mesures optiques ont un fort potentiel pour le développement de vivo
outils de diagnostic médical non invasif dans, souvent appelée «biopsie optique». Ces techniques devraient améliorer de manière significative l'efficacité des biopsies ou aider à déterminer les marges de la tumeur dans un champ opératoire. Selon nos données expérimentales, les coefficients d'absorption, les coefficients réduits de diffusion, les profondeurs de pénétration optique, les coefficients de diffusion, la réflexion diffuse et les variations de réflectance diffuse pour les tissus des muqueuses de l'estomac /sous-muqueuse normale dans le cardia à 635, 730, 808 , 890 et 980 nm ont été déterminées in vitro. Dans notre étude, il est intéressant de noter les propriétés optiques mesurées et leurs différences pour les échantillons de tissus à cinq longueurs d'onde laser différentes. Nous pensons que les propriétés optiques devraient aider au diagnostic pathologique et un traitement médical pour la muqueuse gastro-intestinale maligne ou précancéreuse avec facilité en utilisant des méthodes optiques.
La figure 2 et la figure 3 montre les coefficients d'absorption et les coefficients de diffusion réduit d'échantillons de tissus à cinq laser différents longueurs d'onde, respectivement. A partir de la figure 2 et la figure 3, on peut voir que les coefficients d'absorption pour les échantillons de tissus augmentent avec l'augmentation des longueurs d'onde laser, sauf pour le coefficient d'absorption à 730 nm, et les coefficients de diffusion réduit pour les échantillons de tissu diminue avec l'augmentation des longueurs d'onde laser . Il y avait des différences significatives dans les coefficients d'absorption à cinq longueurs d'onde différentes laser (P
< 0,01). La coefficients d'absorption maximale et minimale sont 0.265 mm -1 à 980 nm et 0,0332 mm -1 à 730 nm, respectivement. Les différences minimales des coefficients d'absorption maximale et sont 698% entre 730 et 980 nm, et 1,61% entre 635 et 808 nm, respectivement. Il y avait aussi des différences significatives dans les coefficients de diffusion réduits à cinq longueurs d'onde laser différentes (P
< 0,01). Le maximum et le minimum réduit les coefficients de diffusion sont 1,19 mm -1 à 635 nm et 0,521 mm -1 à 980 nm, respectivement. Les différences minimales des coefficients de diffusion réduit et des maxima de 128% entre 635 et 980 nm, et 1,15% entre 890 et 980 nm, respectivement.
De la figure 4 montre que les profondeurs de pénétration optique pour des échantillons de tissus varient avec l'augmentation du laser longueurs d'onde. Il y avait des différences significatives dans les profondeurs de pénétration optiques à cinq longueurs d'onde différentes laser (P
< 0,01). Le fond minimum de pénétration optique maximale et sont de 3,57 mm à 808 nm et 1,43 mm à 980 nm, respectivement. Les différences minimales des profondeurs de pénétration maximum et optiques sont de 150% entre 808 et 980 nm, et 5,36% entre 730 et 890 nm, respectivement. La figure 5, on peut voir que les coefficients de diffusion des échantillons de tissus varient avec l'augmentation des longueurs d'onde laser. Il y avait aussi des différences significatives dans les coefficients de diffusion à cinq longueurs d'onde différentes laser (P
< 0,01). Le coefficients de diffusion maximale et minimale sont 0.608 mm -1 à 890 nm et 0.278 mm -1 à 635 nm, respectivement. Les différences minimales des coefficients de diffusion et des maxima de 119% entre 635 et 890 nm et de 12,0% entre 890 et 980 nm, respectivement. La figure 6 montre que le facteur de réflexion diffuse pour les échantillons de tissu diminue avec l'augmentation des longueurs d'onde laser. Il y avait des différences significatives dans la réflectance diffuse à cinq longueurs d'onde différentes du laser (P
< 0,01). Le maximum et le minimum de réflexion diffuse sont 0,456 à 635 nm et 0,0732 à 980 nm, respectivement. Les différences minimales de la réflectance diffuse et des maxima de 523% entre 635 et 980 nm, et 7,29% entre 635 et 730 nm, respectivement. La figure 7, on peut voir que le déplacement Dx de réflexion diffuse des échantillons de tissus varient avec l'augmentation des longueurs d'onde laser. Il y avait aussi des différences significatives dans l'évolution de Dx réflectance diffuse à cinq longueurs d'onde différentes laser (P
< 0,01). Le maximum et le décalage minimum Dx de réflectance diffuse sont 1.11 mm à 890 nm et 0.507 mm à 635 nm, respectivement. Le minimum les différences de décalage Dx de réflectance diffuse maximale et sont 119% entre 635 et 890 nm et 11,7% entre 890 et 980 nm, respectivement.
Il existe des différences significatives dans les propriétés optiques des échantillons de tissus entre les différentes longueurs d'onde du laser (P
< 0,01). Bashkatov et al. [35] et Holmer et coll. [36], ont rapporté les propriétés optiques du tissu gastrique par différents procédés de mesure optiques, nos données que la dépendance à la longueur d'onde du coefficient d'absorption, le coefficient de diffusion réduit et la profondeur de pénétration optique de la muqueuse de la paroi de l'estomac humain sont très similaires pour comparer les données de Bashkatov, et al. et Holmer et coll. avec nos données dans le domaine spectral de 600 à 1000 nm.
Conclusion
En conclusion, les résultats présentés ici indiquent que les différences dans les propriétés optiques, à savoir, les coefficients d'absorption, les coefficients de diffusion réduits, les profondeurs de pénétration optique les coefficients de diffusion, la réflexion diffuse et les variations de réflectance diffuse pour les tissus des muqueuses /de sous-muqueuse d'estomac normal dans le cardia à 635, 730, 808, 890 et 980 nm sont significatifs in vitro (P
< 0,01), et le potentiel et la promesse de l'aide d'un faisceau laser incident oblique pour mesurer les propriétés optiques des tissus pour les études cliniques. Tissues de diverses pathologies ont des propriétés optiques des tissus différents, et des tissus de différents endroits pour estomacs humains normaux ont des propriétés optiques des tissus différents [2]. Les résultats préliminaires présentés peuvent être utilisés pour le développement de technologies optiques et peuvent être utiles pour un diagnostic plus précoce, la thérapie photodynamique et photothermique dans le tractus gastro-intestinal
abréviations
NIR:.
Près
infrarouge
GI:
gastro
WLE:
lumière blanche endoscopie
octobre: ​​
tomographie par cohérence optique
LIAF:
autofluorescence induite par laser
mfp ':
le transport libre parcours moyen

D:
le coefficient de diffusion
SD:
écart type
Déclarations
Remerciements
les auteurs tiennent à remercier la national Natural science Foundation de Chine (numéro d'article 30470494; 30627003), et la Fondation des sciences naturelles de la province du Guangdong (article numéro 7117865) pour soutenir ce travail.
Auteurs fichiers originaux soumis pour les images
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Les auteurs déclarent qu'ils ont aucun conflit d'intérêts.

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