Cromoendoscopia in magneticamente guidato capsula endoscopy

cromoendoscopia in capsula endoscopica magneticamente guidata
Abstract
sfondo
Diagnosi di metaplasia intestinale e displasia via endoscopica convenzionale è caratterizzata da un accordo inter bassa e scarsa correlazione con i risultati istopatologici. Cromoendoscopia migliora in modo significativo la visibilità delle irregolarità della mucosa, come metaplasia displasia e della mucosa. Magneticamente guidata capsula endoscopica (MGCE) offre una tecnologia alternativa per l'esame del tratto gastrointestinale superiore. Ci aspettiamo che le difficoltà di diagnosi di neoplasia in endoscopia convenzionale per il trasferimento a MGCE. Così, ci proponiamo di tracciare un percorso per l'applicazione di cromoendoscopia su MGCE tramite uno studio ex vivo degli animali.
Metodi
proponiamo un protocollo di preparazione modificata che aggiunge una fase di colorazione al protocollo di preparazione MGCE esistente. Una concentrazione ottimale colorazione è determinata quantitativamente per diversi tipi di macchia e patologie. A tal fine 190 campioni di tessuto stomaco di maiale con e senza imitazioni lesione sono state colorate con diverse concentrazioni di colorante. criteri visivi quantitativi vengono introdotti per misurare la qualità della colorazione rispetto alla mucosa e visibilità lesione. Questa convenzione determinate concentrazioni ottimali sono testati in un esperimento ex-vivo stomaco di maiale sotto la guida magnetica di una capsula endoscopica con il protocollo modificato.
Risultati
Abbiamo scoperto che la modifica proposta di protocollo non influisce la visibilità nello stomaco o manovrabilità della capsula endoscopica. Una concentrazione media colorazione ottimale per il protocollo proposto è stato trovato a 0,4% per il blu di metilene e Indigotina. La visibilità della lesione è migliorata utilizzando la concentrazione di colorante ottimale precedentemente ottenuto
. Conclusioni
Concludiamo che cromoendoscopia può essere applicato in MGCE e migliora la mucosa e della lesione visibilità. valutazione sistematica fornisce importanti informazioni sulla concentrazione di colorazione adeguato. Tuttavia, ulteriori animale e umano in vivo sono necessari studi.
Parole
blu di metilene Indigotina colorazione di fondo
Anche se l'incidenza e la mortalità sono in diminuzione, cancro gastrico con 738.000 casi in tutto il mondo nel 2008, è il 2 ° digestivo più letale neoplasia nel mondo [1]. metaplasia intestinale e displasia sono precursori di cancro [2]. L'identificazione di queste lesioni e follow-up dei pazienti afflitti potrebbe portare a una diagnosi precoce e il trattamento, e migliorare di conseguenza la sopravvivenza del paziente [3, 4]. Esofagogastroduodenoscopia (EGDS) è la procedura più comune per la diagnosi e il trattamento. Tuttavia, per la rilevazione di metaplasia e displasia convenzionale EGD è caratterizzato da un accordo inter bassa e scarsa correlazione con i risultati istopatologici [5, 6].
Sono disponibili varie tecniche per migliorare ed evidenziando irregolarità mucosa e per aumentare la visibilità delle strutture che trovarsi sotto la superficie della mucosa. I metodi più importanti sono l'imaging banda stretta, endomicroscopy laser confocale, ingrandimento l'endoscopia, la tomografia a coerenza ottica e cromoendoscopia [7-10]. Queste tecniche sono state spesso rispetto contro l'altro, o in combinazione in termini di impatto in accuratezza diagnostica (ad esempio in [11, 12]). Tuttavia una differenza sostanziale tra cromoendoscopia e tutte le tecniche concorrenti risiede nella mancanza di hardware aggiuntivo. Chromoendoscopy non richiede modifiche del hardware del sistema di imaging stesso.
Inoltre, cromoendoscopia in EGD e colonscopia ha dimostrato di migliorare notevolmente la visibilità delle irregolarità mucosa, come metaplasia e displasia [13]. Chromoendoscopy consiste nell'applicazione topica di macchie diverse per migliorare la visibilità del tessuto, localizzazione e caratterizzazione al fine di una migliore diagnosi. Cromoendoscopia di solito consiste in quattro fasi per le macchie di assorbimento e tre passi per le macchie di contrasto: (1) L'applicazione di una soluzione acida per sciogliere il muco gastrico, (2) l'applicazione locale di una macchia, (3) (solo per le macchie di assorbimento) lavaggio del rispettiva regione con acqua e (4) esame visivo delle regioni colorate per scopi diagnostici. In (1) - (3) l'applicazione del colorante viene eseguita localmente utilizzando il canale di lavoro dell'endoscopio e diversi cateteri spruzzo (metodo diretto) sotto la guida visiva dell'endoscopio. Per la colonscopia l'applicazione passiva di macchia con una capsula colorante in polvere riempita è stata riportata anche [14, 15]. In questa procedura una capsula con polvere colorante viene dato al paziente dopo la somministrazione di una soluzione di pulizia dell'intestino come PEG. Tra l'amministrazione tintura e l'esame colonscopia è necessario un tempo di attesa. Applicazione del colorante al mattino e al pomeriggio esame è stata riportata come sufficientemente ampio intervallo di tempo [14]. Anche se la procedura è stata trovata essere fattibile, difficoltà sono state riportate a causa dell'applicazione disomogenea della macchia [16]. La somministrazione orale di colorante per l'esame dello stomaco senza utilizzare un catetere a spruzzo (metodo indiretto) è stata descritta in [15, 17].
Recentemente, diversi approcci per endoscopi magneticamente guidate capsula (MGCE) per gastrica e analisi intestinali piccoli sono stati presentati [18-23]. In uno studio clinico nell'uomo, MGCE dimostrato la fattibilità di esplorazione gastrica con una capsula endoscopio guidato [18, 19]. In questo specifico studio lo stomaco è stato riempito con acqua e la capsula è stata navigato dall'esterno con un campo magnetico esterno. L'operatore potrebbe controllare il movimento della capsula durante l'esame con feedback in tempo reale di immagini gastrica è fornito da due sensori capsula fotocamera. Quindi, si potrebbe ottenere un numero sufficiente di immagini stomaco-superficie con valore diagnostico.
Ci aspettiamo che le difficoltà note nella diagnosi di neoplasia, per accordo tra osservatori in endoscopia convenzionale, trasferimento a MGCE. MGCE potrebbe, quindi, beneficiare di cromoendoscopia nello stesso modo l'endoscopia classico fa. Tuttavia, rispetto alla domanda diretta di macchia nella EGD e la maggior parte delle procedure colonscopia, in MGCE unica applicazione indiretta è possibile. Nessuna preparazione dell'acido e lavaggio della mucosa gastrica è possibile. Inoltre, l'acqua in cui si manovra la capsula, non deve essere trattata a livelli che riducono la visibilità complessiva. Metodi concorrenti come l'imaging banda stretta nella diagnosi di neoplasia colorettale sono difficili da integrare in un endoscopio capsula [11]. Inoltre, come in molte tecniche endoscopiche non sono ancora state stabilite con esattezza l'impatto delle cromoendoscopia e dettagli tecnici [24, 25]. Ad esempio, in letteratura ([5, 26, 27]) si possono trovare tre differenti concentrazioni di colorante blu di metilene e tempi di applicazione per l'esame di neoplasia gastrica. La ricerca di una concentrazione ottimale per una procedura di colorazione in studi animali e umani è stato segnalato un paio di volte, ma senza il supporto di un'analisi approfondita. In [28] una concentrazione ottimale colorazione per simultanea endomicroscopy laser confocale e cromoendoscopia con violetto cresolo viene valutata in topi, ma senza un criterio oggettivo. In [29] una concentrazione ottimale colorazione per endocytoscopy è stata letta in uno studio ex vivo degli animali in cui appena asportato esofago suina, dello stomaco e del colon sono stati esaminati. contrasto dell'immagine e lo stato di colorazione sono stati valutati da esperti per ciascun organo di determinare la migliore concentrazione. I risultati sono stati trasferiti a organi umani resecati. Il problema di uno studio sistematico mancante per cromoendoscopia classica nei trasferimenti stomaco per MGCE e diventa più severa attraverso le sfide della domanda indiretta di macchia.
In questo lavoro si valuta la possibile applicazione di cromoendoscopia a MGCE in un ex-vivo studio sugli animali. In primo luogo, si propone una modifica al protocollo di preparazione MGCE al fine di incorporare una procedura di colorazione per cromoendoscopia. In secondo luogo, vi presentiamo un metodo per valutare sistematicamente una concentrazione ottimale di colorante per la modifica protocollo proposto. L'ottimizzazione è condotta in esperimenti usando campioni di tessuto dello stomaco di maiale e rispetto alla migliore visibilità del tessuto di istologica diversa o natura patologica. In terzo luogo, trasferiamo questi risultati di un esperimento stomaco di maiale ex-vivo sotto la guida magnetica di un endoscopio capsula. Questi esperimenti dovrebbero determinare: a) la complessiva visibilità in acqua dopo la proposta di protocollo di colorazione passiva; e b) la mucosa e la visibilità lesione con la concentrazione di colorante ottimizzato.
Il magnete guida è tecnicamente simile a quello utilizzato per lo studio umano [18, 19]. Tutte le funzioni di navigazione di tale studio sono disponibili nella nostra messa a punto anche. Il sistema è uno sviluppo congiunto di SIEMENS Healthcare e Olympus Medical Systems Corp. I suoi componenti principali sono: (1) Un magnete guida che consiste in una serie di bobine elettromagnetiche che definiscono un volume di lavoro e che consentono all'operatore di controllare una capsula endoscopio con 5 gradi di libertà (DOF). La densità di flusso magnetico ha un massimo di 100 millitesla. (2) Una capsula endoscopio di lunghezza 31 millimetri prodotto da Olympus Medical Systems Corp. con una build-in magnete permanente e due telecamere CCD ciascuna trasmissione 2 fotogrammi al secondo in tempo reale ad un ricevitore esterno collegato al corpo del paziente. (3) Una visualizzazione che mostra le immagini capsula per l'operatore. (4) Una serie di joystick, consentendo all'operatore di manovrare la capsula all'interno dello stomaco. L'orientamento di un campo elettromagnetico (EM) orienta la capsula nello stomaco. Il campo EM insieme con un campo EM gradiente generare forze sulla capsula endoscopica inferiore a 1 millinewton. Questi sono sufficienti per movimenti di traslazione. Maggiori informazioni su progettazione hardware e software del magnete guida possono essere trovati in [30]. La guida della capsula viene effettuata sulla base di immagini in tempo reale fornito da l'endoscopio capsula all'interno dello stomaco di maiale.
In [31] uno studio stomaco di maiale è stato presentato per migliorare la visibilità mucosa MGCE con blu di metilene. Questo studio è stato limitato solo ad alcuni casi e un singolo colorante. La manovrabilità magnetica è stato simulato solo con un supporto in plastica e non vi era alcuna valutazione sistematica di una concentrazione di colorante ottimizzata prima degli esperimenti. Mentre nel presente documento, la guidabilità magnetica si ottiene con un magnete guida capsula. Lo studio è condotto con un gran numero di stomaci suini e porta ad una valutazione sistematica dei due tipi di tintura ottimali.
Metodi
modifica del protocollo preparazione per MGCE Aziende Il protocollo di preparazione stabilito utilizzato per lo studio esistente MGCE umana con 43 pazienti è costituito da tre amministrazioni di acqua di rubinetto prima dell'esame: [18, 19]
esistente preparazione MGCE protocollo
E.1 500 ml di acqua limpida a temperatura ambiente un'ora e 15 minuti prima dell'esame e dopo il digiuno notturno.
E.2 400 ml di acqua limpida a temperatura ambiente a 15 minuti prima dell'esame seguita da esercizi leggeri.
E.3 400 ml di acqua limpida a temperatura corporea vicino, subito prima dell'esame .
tutte le applicazioni sono somministrati per via orale. Passi E.1 e E.2 sono destinati principalmente per la pulizia dello stomaco. Fase E.3 mira ad espandere lo stomaco per ottenere spazio sufficiente per la capsula di manovrare e per una completa visibilità della mucosa dello stomaco senza pieghe gastriche sovrappongono a vicenda e alla fine nascondendo pertinenti parti mucosa. Fase E.3 non può essere modificato in quanto è fondamentale per la guida della capsula all'interno dello stomaco. Ci aspettiamo che l'acqua da colorare a tal punto che la visibilità generale è ridotta quando la macchia viene applicato direttamente prima E.3. Quindi, si propone di inserire una fase di colorazione tra i passaggi E.1 e E.2 del protocollo di preparazione esistente. Al fine di condurre ulteriori esperimenti con animali fantasmi il seguente protocollo viene adottato per stomaci di maiale:
Modificato protocollo di preparazione MGCE per stomaci di maiale
M.1 2000 ml di acqua limpida a temperatura ambiente che viene svuotato fuori dello stomaco subito dopo la somministrazione. Lo scopo di questa fase è ancora la pulizia dello stomaco da muco e /o cibo rimanente.
M.2 100 mL di colorante, seguiti da 5 minuti di massaggio e impastare lo stomaco per simulare il movimento peristaltico, seguita da svuotare la stomaco dal colorante. Questo passaggio si applica il colorante alle pareti dello stomaco. Massaggio e impastare lo stomaco simula movimento peristaltico ed è effettuata nell'ipotesi che il colorante sarebbe naturalmente sparsi su tutte le aree anatomiche dello stomaco nel caso naturale. Simulazione peristalsi digestivo tramite massaggio un sacchetto stomacher o un sistema di pulegge per creare movimento peristaltico in un modello di stomaco meccanico è stato riportato in [32, 33].
M.3 500 mL di acqua limpida a temperatura ambiente, che rimane nello stomaco per 5 minuti e viene poi scaricata. Questo passaggio è simile a E.2 della procedura MGCE standard, ma questa volta si evacua anche il colorante rimanente.
M.4 2000 ml di acqua limpida a temperatura corporea vicino, subito prima dell'esame (stesso scopo E.3 ).
Tutte le applicazioni vengono eseguite attraverso l'esofago e intendono simulare la somministrazione orale di acqua e colorante. Utilizzando una combinazione di acqua, per espandere lo stomaco, e tingere allo stesso tempo è stata assunta incompatibile con MGCE poiché la visibilità della capsula peggiorerebbe. Lo svuotamento viene eseguita premendo delicatamente lo stomaco e imita l'evacuazione naturale del contenuto dello stomaco nell'intestino tenue. La quantità di acqua per il lavaggio e l'espansione dello stomaco (passo M.1 e M.4) è stato impostato su valori più grandi a causa delle dimensioni più grandi dello stomaco di maiale
. Lesione bersaglio e lesioni imitazioni
per valutare i benefici di cromoendoscopia in MGCE il metodo proposto è testato su mucosa sana e imitazioni lesione neoplastica. Lesioni di possibile precoce del cancro gastrico (EGC) sono suddivisi in 3 categorie principali: sporgente (0-I), non sporgente e non scavata (0-II), scavata (0-III) con ciascuno di questi tipi avente sub multipla -Tipi [34]. Due tipi di lesione sono considerati per valutare i vantaggi della cromoendoscopia con il protocollo modificato proposto: pseudopolipi per simulare un sporgente (0-lp) lesione e lesioni non sporge leggermente depresse di tipo 0-IIc. In [35] viene descritto un metodo per creare un pseudopolyp utilizzando un dispositivo di varici esofagee legatura. Abbiamo utilizzato un approccio simile ma impiegato una sutura per eseguire una legatura della mucosa dello stomaco per creare un pseudopolyp. Per la simulazione delle lesioni 0-IIc non sporgenti 10% soluzione di HCL è stato applicato alla mucosa dello stomaco per 15 secondi e lavato con acqua di rubinetto. Otto esempio immagini (quattro di 0-lp e quattro di 0-IIc) delle imitazioni lesione creati sono mostrati in Figura 1. Figura 1 delle lesioni imitazioni: Figura 1 (A): Quattro esempi di non-sporgenti lesioni leggermente depressi (0 -IIc) sagomato con linee scure, figura 1 (B): quattro esempi di pseudopolipi (contrassegnate con le frecce) per simulare una lesione sporgente (0-lp)
macchie
Durante EGD o colonscopia, macchie differenti vengono utilizzati. per cromoendoscopia. Sono classificati come assorbente, il contrasto, o reattiva [24]. Nei nostri esperimenti usiamo una macchia di assorbimento (blu di metilene) e una macchia di contrasto (Indigotina). Il blu di metilene, viene assorbita da specifici tipi cellulari e mette in evidenza, quindi, attraverso l'assorbimento preferenziale. Indigo carmine non è assorbente e mette in evidenza la mucosa mettendo in comune meccanicamente in cervici fra le cellule epiteliali, lesioni grassi o depressi e altre irregolarità. Le imitazioni lesione di tipo 0-IIc (precoce del cancro gastrico) sono colorate con indaco carminio come descritto in [36]. . Per la colorazione dei dettagli del blu di metilene mucose viene utilizzato
criteri visivi di una concentrazione ottimale macchia
Una procedura di colorazione per cromoendoscopia in MGCE ha ulteriori sfide rispetto al cromoendoscopia classico che coinvolge un endoscopio flessibile: applicazione locale di macchia come usato in EGD e colonscopia non è possibile in MGCE, né è una preparazione di acido della mucosa o lavaggio del muco gastrico dopo l'applicazione della macchia. La concentrazione ottimale di colorante è quantitativamente e sistematicamente valutati e ulteriormente applicato nel protocollo modificato proposto. A tal fine, un gran numero di immagini da campioni di tessuto dello stomaco maiale viene trattata con differenti concentrazioni di colorante per determinare una concentrazione ottimale di colorazione (vedi figure 2 e 3). Dal momento che abbiamo scoperto che una semplice ispezione visiva non è sufficiente a giudicare con precisione la concentrazione ottimale macchia, abbiamo definito due parametri visivi oggettivi per valutare la concentrazione applicata alla mucosa sana e imitazioni lesione 0-IIc: Figura 2 Blu di metilene colorazione: patch stomaco di maiale derivanti dalla diversi stomaci colorate con concentrazione da 0% a 1,4% blu di metilene. (A): nessuna colorazione, (B): 0,2%, (C): 0,4%, (D): 0,6%, (E): 0,8%, (F): 1%, (G): 1,2%, ( H): 1,4%. Immagine di patch stomaco di maiale 2 x 2 cm sono stati tagliati a 1,8 x 1,8 centimetri.
Figura 3 patch stomaco di maiale con l'imitazione lesione macchiato con diverse concentrazioni di Indigotina. (A) senza colorazione, (B) 0,2%, (C) 0,4%, (D) 0,6%, (E) 0,8%, (F) 1%. Non sporgenti lesioni leggermente depressa (0-IIC) sono sagomato con contorni rossi. Immagine di patch stomaco suino 2 x 2 cm sono stati tagliati a 1,8 x 1,8 centimetri
1. Lesione a contrasto di fondo:. Contrasto immagine può essere definito come la differenza quantitativa, in termini di colore e l'intensità, tra più vicina spaziale aree di immagine o oggetti all'interno di un'immagine. Per le immagini endoscopiche contrasto può essere interpretata come la differenza qualitativa locale di colore e /o l'intensità tra tessuto patologico e sano adiacente. Una concentrazione ottimale della macchia per la visualizzazione di una lesione sarebbe pertanto essere definita da una concentrazione conduce ad un contrasto massimo tra il patologico e mucosa sana. Chromoendoscopy mira a migliorare questo contrasto il più possibile dal colorante applicata e conseguenti variazioni nella colorazione di diversi tipi mucosa. Assegniamo un punteggio numerico I
c
che può essere informalmente definito come la differenza media tra il tessuto lesione e tessuto sano.
Per il calcolo del punteggio di contrasto I
c
due regioni R
l
e R
h Quali sono definiti per la regione dell'immagine con lesioni e il tessuto sano, rispettivamente. Poiché il contrasto di un'immagine può essere descritto come la differenza quantitativa tra diverse aree di immagine. Una misura del contrasto I
c
tra le due regioni può quindi essere indicato con I
c
=
g
(
R
l
)
-
g
(
R
h
)
(1) dove g
(·) si riferisce alla conversione in scala di grigi dell'immagine colore originale. Per calcolare tale punteggio contrasto, per ogni immagine le due regioni R
L e R

h
sono scelti manualmente all'interno di una regione con lesioni e il tessuto sano. Questo processo di etichettatura non segmentare il confine esatto tra tessuti sani e malati. la segmentazione manuale è sempre soggetto a l'esperto. Più in particolare una segmentazione esatto è relativamente poco importante, rispetto al contrasto complessivo tra due aree di immagine. Quindi una regione esatta segmentazione non è necessario. La figura 4 mostra un esempio di una regione tessuto malato segmentato manualmente. Il valore di un immagine in scala di grigi su compreso tra 0 e 255. Quindi il punteggio per il contrasto della lesione da sfondo sarebbe anche trovarsi tra questi due valori, in cui un piccolo valore implicherebbe scarso contrasto e un valore elevato potrebbe indicare una immagine ad alta contrasto tra lesione e lo sfondo. In [29] tale approccio è stato definito per determinare il contrasto ottimale tra citoplasma e nuclei per endocytoscopy. Figura metodo 4 Etichettatura esempio: Figura 2 (A): senza etichette. Figura 2 (B): La regione tessuto malato segmentata è delimitata da una linea rossa. I punti sulla linea rossa mostrano i punti di segmentazione selezionati manualmente
2. varianza consistenza globale:. Diverse misure di texture sono noti dal computer vision in generale e, in particolare, dalla elaborazione di immagini mediche allo scopo di segmentazione automatica, classificazione o contenuti in base immagine recupero [37, 38].
Texture immagine può essere descritto come una misura della disposizione spaziale e la distribuzione di intensità e /o colore in un'immagine. All'interno di questi accordi e le distribuzioni la varianza può essere misurata. Per le immagini in endoscopia questo può essere la differenza quantitativa globale nel colore e /o l'intensità tra tessuto istologico diverso o natura patologica e la varianza intensità /colore fra queste aree di tessuto. Un'immagine che presenta elevata consistenza è un'immagine con una notevole quantità di variazione di intensità /di colore distinguibile. Se allo stesso tempo l'immagine presenta una elevata variabilità tra queste aree di immagine traduciamo ciò un'immagine con varianza elevata consistenza. Chromoendoscopy mira a migliorare la varianza struttura globale evidenziando aree di tessuto sulla mucosa gastrica con caratteristiche differenti più chiaramente possibile. Un colorante ottimale sarebbe, quindi, al massimo aumentare le aree effettivamente esistenti di tessuto differenti e causerebbe alta varianza contrasto tra queste diverse trame.
Una caratteristica popolare per descrivere la trama è il modello locale binario (LBP) [39]. Questo metodo è stato ampiamente applicato in elaborazione delle immagini mediche e ha, tra le altre variazioni, stato esteso per quantificare la varianza consistenza globale di un'immagine [40]. Assegniamo un punteggio numerico v

a r
(R
, N
) g
che può essere definito in modo informale come la varianza contrasto immagine Struttura.
Il calcolo di v

a R (R
N
)
g
è la seguente: Il principio di base di LBP è una caratterizzazione discreto di quartieri pixel . Ogni pixel di un'immagine viene assegnato un valore a seconda di come si riferisce ai suoi pixel vicini in termini di intensità. La zona è generalmente definito da due parametri, che sono il numero di pixel presi in considerazione e la distanza tra il centro del pixel ei suoi vicini. In LBP i vicini sono disposti in un cerchio intorno ad un pixel centrale e quindi la distanza possono semplicemente essere definiti dal raggio del cerchio. Ogni pixel su questo cerchio viene assegnato il valore 0, se la sua intensità è inferiore alla intensità del pixel centrale e il valore 1 se il valore di intensità è maggiore di quello del pixel centrale. Per un pixel centrale con 8 vicini che deriverebbero, per esempio, in un numero binario a 8 cifre che porta al nome originale di un modello binario lineare. Un modello LBP binario in un centro di pixel p
c
nella posizione (c
x
, c
y
) con il suo N
vicini pixel p
n
ad un raggio R
può quindi essere descritto come LBP (
R
,
N
)
(
c
x
,
c
y
)
=
Σ
I
=
1
n
b
(
p
n
(
I
)
-
p
c
x
,
c
y
)
×
2
N
(
d
→

• Valutazione del sistema di punteggio POSSUM in pazienti con cancro gastrico in fase di D2-gastrectomia
• modifiche grasso viscerale dopo gastrectomia distale secondo il tipo di procedura di ricostruzione per il cancro gastrico