Chromoendoscopie en magnétiquement guidée capsule endoscopy

chromoendoscopie en endoscopie de capsule magnétique guidée
Résumé de l'arrière-plan
Diagnostic de la métaplasie intestinale et la dysplasie par endoscopie conventionnelle est caractérisée par une faible concordance inter et une faible corrélation avec les résultats histopathologiques. Chromoendoscopie améliore considérablement la visibilité des irrégularités de la muqueuse, comme la métaplasie et la dysplasie muqueuse. endoscopie capsule magnétique guidée (MGCE) offre une technologie alternative pour l'examen de GI supérieur. Nous nous attendons à des difficultés de diagnostic de néoplasme en endoscopie conventionnelle pour transférer à MGCE. Ainsi, nous cherchons à tracer un chemin pour l'application de chromoendoscopie sur MGCE via une étude ex vivo animal.
Méthodes
Nous proposons un protocole de préparation modifié qui ajoute une étape de coloration au protocole de préparation de MGCE existant. Une concentration de coloration optimale est déterminée quantitativement pour les types de taches différentes et pathologies. À cette fin 190 échantillons de tissus de l'estomac de porc avec et sans imitations de lésions ont été colorées avec des concentrations de colorants différents. critères visuels quantitatives sont introduites pour mesurer la qualité de la coloration par rapport à la muqueuse et de la visibilité de la lésion. Thusly déterminées concentrations optimales sont testées dans un ex-vivo l'expérience de l'estomac de porc sous guidage magnétique d'une capsule endoscopique avec le protocole modifié.: Résultats
Nous avons constaté que la modification du protocole proposé n'a pas d'impact de la visibilité dans l'estomac ou la manœuvrabilité de la capsule endoscopique. Une concentration de coloration optimale moyenne pour le protocole proposé a été trouvé à 0,4% pour Méthylène carmin bleu et Indigo. La visibilité de la lésion est améliorée en utilisant la concentration de colorant optimal obtenu précédemment
. Conclusions
Nous concluons que chromoendoscopie peut être appliquée dans MGCE et améliore la muqueuse et la lésion visibilité. L'évaluation systématique fournit des informations importantes sur la concentration de coloration appropriée. Toutefois, d'autres animaux et humains in vivo des études sont nécessaires.
Mots-clés
bleu de méthylène indigo carmin Coloration Contexte
Bien que l'incidence et de mortalité sont en baisse, le cancer gastrique avec 738.000 cas dans le monde en 2008 est le 2ème digestif le plus meurtrier Tumeur dans le monde [1]. métaplasie intestinale et la dysplasie sont des précurseurs du cancer [2]. L'identification de ces lésions et le suivi des patients affligés pourraient conduire à un diagnostic précoce et le traitement, et renforcer ainsi la survie du patient [3, 4]. Esophagogastroduodenoscopy (EGD) est la procédure la plus courante pour le diagnostic et le traitement. Cependant, pour la détection de la métaplasie et la dysplasie EGD classique est caractérisée par une faible concordance inter et une faible corrélation avec les résultats histopathologiques [5, 6].
Diverses techniques sont disponibles pour améliorer et mettre en évidence des irrégularités de la muqueuse et pour augmenter la visibilité des structures qui s'allonger sous la surface de la muqueuse. Les méthodes les plus importantes comprennent l'imagerie à bande étroite, confocal endomicroscopie laser, grossissement endoscopie, tomographie par cohérence optique et chromoendoscopie [7-10]. Ces techniques ont souvent été comparés les uns contre les autres, ou en combinaison en termes de leur impact sur la précision du diagnostic (par exemple dans [11, 12]). Cependant, une différence substantielle entre chromoendoscopie et toutes les techniques concurrentes réside dans le manque de matériel supplémentaire. Chromoendoscopie ne nécessite aucune modification du matériel du système d'imagerie lui-même.
En outre, chromoendoscopie dans EGD et la coloscopie a été montré pour améliorer considérablement la visibilité des irrégularités de la muqueuse, comme la métaplasie et la dysplasie [13]. Chromoendo consiste en l'application topique de taches différentes pour améliorer la visibilité des tissus, la localisation et la caractérisation dans le but d'améliorer le diagnostic. Chromoendoscopie se compose généralement de quatre étapes pour les taches d'absorption et trois étapes pour les taches de contraste: (1) Application d'une solution acide pour dissoudre le mucus gastrique, (2) l'application locale d'une tache, (3) (uniquement pour les taches d'absorption) lavage de la région respective avec de l'eau et (4) l'inspection visuelle des zones colorées à des fins de diagnostic. En (1) - (3) l'application de teinture est effectuée localement en utilisant le canal de travail de l'endoscope et différents cathéters de pulvérisation (méthode directe) sous le guidage visuel de l'endoscope. Pour coloscopie l'application passive de tache avec une capsule de colorant en poudre rempli a également été rapportée [14, 15]. Dans cette procédure, une capsule avec de la poudre de colorant est administré au patient après l'administration d'une solution de nettoyage de l'intestin tel que le PEG. Entre l'administration du colorant et de l'examen colonoscopie un temps d'attente est nécessaire. L'application du colorant dans le matin et l'après-midi examen a été rapporté comme un nombre suffisamment grand intervalle de temps [14]. Bien que la procédure a été jugée possible, des difficultés ont été rapportés en raison de l'application non homogène de la tache [16]. L'application orale de colorant pour l'examen de l'estomac sans l'aide d'un cathéter de pulvérisation (méthode indirecte) a été décrite dans [15, 17].
Récemment, des approches différentes pour endoscopes magnétiquement guidées de la capsule (de MGCE) pour l'estomac et les petits examens de l'intestin ont été présentés [18-23]. Dans une étude clinique sur l'homme, MGCE a montré la faisabilité de l'exploration gastrique avec une capsule endoscope guidée [18, 19]. Dans cette étude particulière de l'estomac a été rempli d'eau et la capsule a navigué de l'extérieur au moyen d'un champ magnétique externe. Un opérateur peut commander le mouvement de la capsule lors de l'examen d'imagerie par rétroaction à partir de l'estomac en temps réel fournies par deux capteurs de la caméra de la capsule. Par conséquent, il pourrait obtenir un nombre suffisant d'images estomac surface avec une valeur diagnostique.
Nous nous attendons à ce que les difficultés connues dans le diagnostic de la néoplasie, en ce qui concerne l'accord inter en endoscopie conventionnelle, transfert à MGCE. MGCE pourrait, par conséquent, bénéficier de chromoendoscopie de la même manière l'endoscopie classique fait. Cependant, par rapport à l'application directe de la tache dans EGD et la plupart des procédures de coloscopie, en MGCE seule application indirecte est possible. Aucune préparation de l'acide et lavage de la muqueuse gastrique est possible. En outre, l'eau dans laquelle la capsule est manoeuvré, ne doit pas être souillé à des niveaux qui permettent de réduire la visibilité de l'ensemble. méthodes concurrentes telles que l'imagerie à bande étroite dans le diagnostic de néoplasie colorectale sont difficiles à intégrer dans une capsule endoscopique [11]. En outre, comme dans de nombreuses techniques endoscopiques l'impact exact de chromoendoscopie et les détails techniques ne sont pas encore mis en place [24, 25]. Par exemple, dans la littérature ([5, 26, 27]), on peut trouver trois concentrations différentes de Méthylène colorant bleu et temps d'application pour l'examen d'un néoplasme gastrique. La recherche d'une concentration optimale pour une procédure de coloration dans les essais animaux et humains a été rapporté à quelques reprises, mais sans l'appui d'une analyse approfondie. Dans [28] une concentration de coloration optimale pour une utilisation simultanée endomicroscopie laser confocale et chromoendoscopie avec violet de crésyl est évaluée dans mices, mais sans un critère objectif. Dans [29] une concentration de coloration optimale pour endocytoscopy a été consulté dans une étude ex vivo animal dans lequel l'œsophage fraîchement réséqué porcine, de l'estomac et du côlon ont été examinés. le contraste de l'image et de l'état de coloration ont été évalués par des experts pour chaque organe afin de déterminer la meilleure concentration. Les résultats ont été transférés à des organes humains réséqués. Le problème d'une étude systématique manquante pour chromoendoscopie classique dans les transferts d'estomac à MGCE et devient plus sévère à travers les défis de l'application indirecte de la tache.
Dans cet article, nous évaluons l'application éventuelle de chromoendoscopie à MGCE dans un ex-vivo étude des animaux. Premièrement, nous proposons une modification du protocole de préparation de MGCE afin d'intégrer une procédure de coloration pour chromoendoscopie. Deuxièmement, nous présentons une méthode pour évaluer systématiquement une concentration optimale de colorant pour la modification du protocole proposé. L'optimisation est réalisée dans des expériences utilisant des échantillons de tissus d'estomac de porc et par rapport à la meilleure visibilité du tissu histologique différent ou de la nature pathologique. Troisièmement, nous transférons ces résultats à une expérience d'estomac de porc ex vivo sous guidage magnétique d'un endoscope de capsule. Ces expériences devraient déterminer: a) la visibilité sous l'eau globale après le protocole proposé de coloration passive; et b) de la muqueuse et de la visibilité de la lésion avec la concentration de colorant optimisé.
L'aimant de guidage est techniquement semblable à celle utilisée pour l'étude humaine [18, 19]. Toutes les fonctions de navigation de cette étude sont également disponibles dans notre configuration. Le système est un développement conjoint de SIEMENS Healthcare et Olympus Medical Systems Corp. Ses principales composantes sont: (1) Un aimant de guidage qui se compose d'un ensemble de bobines électromagnétiques définissant un volume de travail et permettant à l'opérateur de contrôler un endoscope de capsule avec 5 degrés de liberté (DOF). La densité de flux magnétique a un maximum de 100 millitesla. (2) Un endoscope de capsule de la longueur de 31mm fabriqué par Olympus Medical Systems Corp. avec une accumulation dans l'aimant permanent et deux caméras CCD chacune transmettant 2 images par seconde en temps réel à un récepteur externe attaché au corps du patient. (3) Un écran montrant les images de la capsule à l'opérateur. (4) Un ensemble de joysticks permettant à l'opérateur de manoeuvrer la capsule à l'intérieur de l'estomac. L'orientation d'un (EM) champ électromagnétique oriente la capsule dans l'estomac. Le champ EM avec un gradient de champ électromagnétique à générer des forces sur l'endoscope à capsule inférieure à 1 millinewton. Ceux-ci sont suffisantes pour les mouvements de translation. Plus de détails sur la conception matérielle et logicielle de l'aimant de guidage peuvent être trouvés dans [30]. Le guidage de la capsule est réalisée sur la base d'imagerie en temps réel fournies par l'endoscope de capsule dans l'estomac de porc.
Dans [31] une étude de l'estomac de porc a été présenté pour améliorer la visibilité de la muqueuse en MGCE utilisant le bleu de méthylène. Cette étude a été limitée à quelques cas seulement et un seul colorant. La manoeuvrabilité magnétique n'a été simulée à l'aide d'un support en plastique et il n'y avait pas d'évaluation systématique d'une concentration de colorant optimisé avant les expériences. Considérant que, dans ce document, le manoeuvrabilité magnétique est réalisé avec un aimant de guidage de capsule. L'étude est menée avec un grand nombre d'estomacs de porcs et conduit à une évaluation systématique de deux types de colorants optimaux.
Méthodes
Modification du protocole de préparation pour MGCE
Le protocole de préparation établie utilisée pour l'étude existante MGCE humaine avec 43 patients se compose de trois administrations de l'eau du robinet avant l'examen: [18, 19]
existant protocole de préparation de MGCE
E.1 500 ml d'eau claire à la température ambiante une heure et 15 minutes avant l'examen et après une nuit de jeûne.
E.2 400 ml d'eau claire à la température ambiante 15 minutes avant l'examen suivie par des exercices légers.
E.3 400 ml d'eau claire à la température corporelle proche, immédiatement avant l'examen .
Toutes les applications sont administrés par voie orale. Étapes E.1 et E.2 sont principalement destinés à nettoyer l'estomac. Étape E.3 vise à élargir l'estomac afin d'obtenir suffisamment d'espace pour la capsule à être manoeuvré et pour une visibilité complète de la muqueuse de l'estomac, sans plis gastriques qui se chevauchent les uns les autres et, éventuellement, se cachant les parties de la muqueuse pertinentes. Étape E.3 ne peut pas être modifié car il est crucial pour l'orientation de la capsule dans l'estomac. Nous nous attendons à l'eau à colorer dans une mesure telle que la visibilité générale est réduite lorsque la tache est appliquée directement avant la E.3. Par conséquent, nous proposons d'adapter à une étape de coloration entre les étapes E.1 et E.2 du protocole de préparation existant. Afin de réaliser des expériences avec des animaux Phantoms le protocole suivant est adopté pour les estomacs de porcs:
Modifié protocole de préparation de MGCE pour le M.1 de porc estomac 2000 ml d'eau claire à la température ambiante qui est vidé de l'estomac immédiatement après l'administration. Le but de cette étape est encore le nettoyage de l'estomac, du mucus et /ou de restes de nourriture. Le plus M.2 100 ml de colorant, suivie de 5 minutes de massage et de malaxage de l'estomac pour simuler un mouvement péristaltique, puis en vidant la l'estomac du colorant. Cette étape est le colorant sur les parois de l'estomac. Massage et pétrir l'estomac simule le mouvement péristaltique et est réalisée sous l'hypothèse que le colorant serait naturellement dispersé sur toutes les zones anatomiques de l'estomac dans le cas naturel. Simuler péristaltisme digestif via massage un sac de stomacher ou un système de poulie pour créer le mouvement péristaltique dans un modèle d'estomac mécanique a été rapporté dans [32, 33].
M.3 500 ml d'eau claire à la température ambiante, ce qui reste dans l'estomac pendant 5 minutes et est ensuite vidé. Cette étape est similaire à E.2 de la procédure de MGCE standard, mais cette fois-ci évacue également le colorant restant.
M.4 2000 ml d'eau claire à la température corporelle proche, immédiatement avant l'examen (même but que E.3 ).
Toutes les applications sont effectuées à travers l'oesophage et de l'intention de simuler l'application orale de l'eau et de colorant. En utilisant une combinaison d'eau, d'élargir l'estomac, et le colorant en même temps est supposée être incompatible avec MGCE depuis la visibilité de la capsule risque de se détériorer. La vidange est effectuée en pressant doucement l'estomac et imite l'évacuation naturelle du contenu de l'estomac dans l'intestin grêle. La quantité d'eau pour le lavage et l'expansion de l'estomac (M.1 étape et M.4) a été fixé à des valeurs plus élevées en raison de la plus grande taille de l'estomac d'un porc
. Lésion cible et lésions imitations
Pour évaluer les avantages de chromoendoscopie dans MGCE la méthode proposée est testée sur la muqueuse saine et imitations de lésions néoplasiques. Les lésions du possible cancer gastrique précoce (EGC) sont subdivisés en 3 catégories principales: en saillie (0-I), non en saillie et non excavée (0-II), excavé (0-III) à chacun de ces types ayant plusieurs sous -types [34]. Deux types de lésions sont pris en compte afin d'évaluer les avantages de la chromoendoscopie avec le protocole modifié proposé: pseudopolypes pour simuler une saillie (0-lp) lésion et lésions non dépassant légèrement déprimées de type 0-IIc. Dans [35], on décrit un procédé pour créer un pseudopolype en utilisant un dispositif de ligature de varices de l'œsophage. Nous avons utilisé une approche similaire, mais utilisé une suture pour effectuer une ligature de la muqueuse de l'estomac afin de créer un pseudopolype. Pour la simulation des lésions 0-IIc non saillantes solution de HCl à 10% a été appliqué sur la muqueuse de l'estomac pendant 15 secondes et on le lave avec de l'eau du robinet. Huit exemples d'images (quatre de 0-lp et quatre de 0-IIc) des imitations de lésions créées sont présentés dans la figure 1. Figure 1 Lesion imitations: Figure 1 (A): Quatre exemples de non-saillie lésions légèrement déprimées (0 -IIc) profilée avec des lignes sombres, la figure 1 (B): Quatre exemples de pseudopolypes (marqués par des flèches) pour simuler une lésion en saillie (0-lp)
taches
Pendant EGD ou coloscopie, différentes taches sont utilisées. pour chromoendoscopie. Ils sont classés comme d'absorption, le contraste, ou réactif [24]. Dans nos expériences, nous utilisons une tache d'absorption (Méthylène bleu) et une tache de contraste (Indigo carmin). Le bleu de méthylène, est absorbé par des types cellulaires spécifiques et met en évidence, par conséquent, par absorption préférentielle. Indigo carmin est pas absorbant et met en évidence la muqueuse en mettant en commun mécaniquement dans cervices entre les cellules épithéliales, les lésions graisseuses ou déprimés et d'autres irrégularités. Les imitations de lésions de type 0-IIc (cancer précoce de l'estomac) sont colorées avec de l'indigo carmin comme décrit dans [36]. . Pour la coloration des détails fins du bleu de Méthylène muqueuse est utilisé
critères visuels d'une concentration optimale des taches
Une procédure de coloration pour chromoendoscopie dans MGCE a des défis supplémentaires par rapport à chromoendoscopie classique impliquant un endoscope flexible: application locale de la tache tel qu'il est utilisé dans EGD et la colonoscopie est impossible dans MGCE, ni est une préparation d'acide de la muqueuse ou le lavage de la muqueuse gastrique après l'application de teinture. La concentration de colorant optimal est quantitativement et systématiquement évalué et plus appliqué dans le protocole modifié proposé. A cette fin, un grand nombre d'images à partir d'échantillons de tissu d'estomac de porc est colorée avec des concentrations de colorant différentes, afin de déterminer la concentration optimale de coloration (voir les figures 2 et 3). Depuis que nous avons constaté que simple inspection visuelle ne suffit pas de juger avec précision la concentration des taches optimale, nous avons défini deux paramètres visuels objectives pour évaluer la concentration appliquée à la muqueuse saine et 0-IIc imitations de lésions: Figure 2 Méthylène coloration au bleu: Pig patches d'estomac résultant de les différents estomacs colorées avec une concentration de 0% à 1,4% de bleu de méthylène. (A): pas de coloration, (B): 0,2% (C): 0,4%, (D): 0,6%, (E): 0,8% (F): 1%, (G): 1,2% ( H): 1,4%. Image de 2 x 2 cm patches d'estomac de porc ont été coupés à 1,8 x 1,8 cm.
Figure 3 Pig patches d'estomac avec lésion imitation colorées avec différentes concentrations de Indigo carmin. (A), pas de coloration, (B) 0,2%, (C) 0,4%, (D) 0,6%, (E) 0,8%, (F) 1%. Non-saillie lésions légèrement déprimées (0-IIc) sont profilées avec des contours rouges. Image de 2 x 2 cm patches d'estomac de porc ont été coupés à 1,8 x 1,8 cm
1. Lésion à contraste de fond:. Contraste de l'image peut être définie comme la différence quantitative, en termes de couleur et de l'intensité, entre plusieurs spatiale voisine régions ou objets image à l'intérieur d'une image. Pour les images endoscopiques contraste peut être interprété comme la différence qualitative locale en couleur et /ou de l'intensité entre le tissu pathologique et sain voisin. Une concentration optimale de la tache pour la visualisation d'une lésion serait, par conséquent, être défini par une concentration conduisant à un contraste maximal entre histopathologique et des muqueuses saines. Chromoendo vise à améliorer ce contraste autant que possible par le colorant appliqué et les changements résultants dans la coloration des types de muqueuses différentes. Nous attribuons un score numérique I
c
qui peut être officieusement défini comme le contraste moyen entre le tissu de la lésion et le tissu sain.
Pour le calcul de la note de contraste I
c
deux régions R
l
et R
h
sont définis pour la région d'image avec des lésions et les tissus sains, respectivement. Étant donné que le contraste d'une image peut être décrite comme étant la différence quantitative entre les différentes régions de l'image. Une mesure du contraste I
c
entre les deux régions peut donc être désigne comme I
c
=
g
(
R
l
)
-
g
(
R
h
)
(1) où g
(·) se réfère à la conversion d'échelle de gris de l'image couleur d'origine. Pour calculer un tel score de contraste, pour chaque image les deux régions R
l
et R
h
sont choisis manuellement dans une région avec des lésions et les tissus sains. Ce processus d'étiquetage ne segmente pas la frontière exacte entre les tissus sains et malades. segmentation manuelle est toujours soumise à l'expert. Plus particulièrement une segmentation exacte est relativement peu importante, par rapport au contraste global entre deux zones d'image. Par conséquent, une zone de segmentation exacte est pas nécessaire. La figure 4 montre un exemple d'une zone de tissu malade segmentée manuellement. La valeur d'une image d'échelle de gris est compris entre 0 et 255. Par conséquent le score pour le contraste lésion à fond serait également comprise entre ces deux valeurs, où une faible valeur impliquerait un faible contraste et une valeur élevée indiquerait une image à haute le contraste entre la lésion et le fond. Dans [29], une telle approche a été définie afin de déterminer le contraste optimal entre le cytoplasme et les noyaux pour endocytoscopy. Figure 4 Méthode d'étiquetage exemple: Figure 2 (A): Sans étiquettes. Figure 2 (B): La région segmentée de tissu malade est délimitée par une ligne rouge. Les points sur la ligne rouge indiquent les points de segmentation sélectionnés manuellement
2. global variance de texture:. Diverses mesures de texture sont connus de la vision par ordinateur en général et en particulier de traitement d'images médicales à des fins de segmentation automatique, la classification ou le contenu en fonction recherche d'images [37, 38].
image texture peut être décrite comme une mesure de disposition spatiale et la distribution de l'intensité et /ou la couleur dans une image. Au sein de ces arrangements et les distributions de la variance peut être mesurée. Pour les images en endoscopie, cela peut être la différence quantitative globale en couleur et /ou de l'intensité entre les tissus histologiques différents ou de la nature pathologique et la variance intensité /couleur entre ces zones de tissu. Une image qui présente une grande texture est une image avec une quantité considérable de distinguer la variation d'intensité /couleur. Si en même temps l'image présente une forte variance entre ces régions d'image nous traduisons cela à une image haute texture variance. Chromoendoscopie vise à améliorer la variance globale de la texture en mettant en évidence les zones de tissu sur la muqueuse gastrique avec des caractéristiques différentes aussi clairement que possible. Un colorant optimal serait, par conséquent, au maximum d'améliorer les zones de tissus différents réellement existants et provoquerait une forte variance de contraste entre ces différentes textures.
Une caractéristique populaire pour décrire la texture est le modèle locale binaire (LBP) [39]. Cette méthode a été largement appliqué dans le traitement d'images médicales et a, entre autres variations, été étendue à quantifier la variance de la texture globale d'une image [40]. Nous attribuons un score v numérique
un
r
(R
, N
) g
qui peut être officieusement définie comme la variance de contraste dans l'image texture.
Le calcul de v
un
r
(R
, N
) g
est la suivante: Le principe de base de LBP est une caractérisation discrète des quartiers de pixels . Chaque pixel d'une image se voit attribuer une valeur en fonction de sa relation avec les pixels voisins en terme d'intensité. Le quartier est généralement définie par deux paramètres, qui sont le nombre de pixels pris en compte et la distance entre le pixel central et ses voisins. LBP voisins sont disposés en cercle autour d'un pixel central et donc la distance peut simplement être définie par le rayon du cercle. Chaque pixel sur ce cercle se voit attribuer la valeur 0, si son intensité est inférieure à l'intensité du pixel central et la valeur 1 si la valeur d'intensité est supérieure à celle du pixel central. Pour un pixel central avec 8 voisins qui entraînerait, par exemple, dans un nombre binaire à 8 chiffres qui conduit au nom original d'un motif binaire linéaire. Un motif de lbp binaire à un pixel central p
c
à la position (c
x
, c
y
) avec son N
voisins pixels p
n
à un rayon R
peut donc être décrit comme lbp (
R
,

N)
(
c
x
,
c
y
)
= Σ

i
=
1
N
b
(
p
n
(
i
)
-
p
c
x
,
c
y
)
×
2
N
(
d
→

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