Onderzoek van maagkanker in naakt muizen met X-ray in-line fase contrast imaging

Onderzoek van maagkanker in naakt muizen met X-ray in-line fase contrast beeldvorming
Abstracte achtergrond
Dit artikel is te melden de nieuwe beeldvorming van maagkanker zonder gebruikmaking van afbeeldingsmiddelen. Beide maag normale regio's en maagkanker regio's kunnen worden onderscheiden met behulp van de principal component analysis (PCA) op basis van de grijze niveau co-optreden matrix (GLCM).
Methods
Human maagkanker BGC823 cellen werden geïmplanteerd in de magen van naakt muizen. Vervolgens, 3, 5, 7, 9 en 11 dagen na implantatie kankercellen, de naakt muizen opgeofferd en de magen verwijderd. X-ray in-line fase contrast beeldvorming (XILPCI), een X-ray fase contrast beeldvorming methode, heeft een grotere zacht weefsel contrast dan traditionele absorptie radiografie en genereert een hogere resolutie beelden. De maag-monsters werden in beeld gebracht door een XILPCIs 'Charge Coupled Device (CCD) van 9 micrometer beeldresolutie. De PSO van de regio van belang (ROI) op basis van GLCM de projectieve beelden werden uitgepakt in de maag normale regio's en maagkanker regio's discrimineren. Verschillende stadia van maagkanker werden geclassificeerd met behulp van support vector machines (SVMs).
Resultaten Ondernemingen De X-ray in-line fase contrast beelden van naakt muizen maag exemplaren van de maag-architecturen en de details van het begin van de maag blijkt duidelijk kankers. De fase contrast computertomografie (CT) beelden van naakt muizen maagkanker monsters zijn beter dan de traditionele integrale CT-beelden zonder gebruik van beeldvorming. De resultaten van de PCA van de textuur parameters gebaseerd op GLCM normale regio's (F 1 + F 2) > 8.5, maar die van kanker regio's (F 1 + F 2) < 8.5. De classificatie nauwkeurigheid is 83,3% dat de indeling van de maag specimens in verschillende stadia met behulp van SVMs.
Conclusies
Dit is een zeer voorlopige haalbaarheidsstudie. Met verder onderzoek, kon XILPCI een niet-invasieve methode voor de toekomst van de vroegtijdige opsporing van maagkanker of medische onderzoeken.
Trefwoorden
X-ray in-line fase contrast imaging X-ray absorptie beeldvorming Maagkanker Principal component analyse Ondersteuning vector machine Achtergrond
Kanker is 's werelds tweede grootste oorzaak van morbiditeit. Maagkanker is een van de belangrijkste oorzaken van kanker gerelateerde dood in [1] Azië. Vroege opsporing en behandeling van maagkanker is nog steeds de focus van preventie en behandeling van kanker. X-ray traditionele beeldvorming van het menselijk skelet zorgt voor een hoge-resolutie foto's, maar die van het menselijk buikorganen is zeer slecht. De laatste jaren is een nieuwe beeldvormende werkwijze het röntgenbeeld lijn fasecontrast (XILPCI) ontstaan. Deze beeldvormingswerkwijze is hoofdzakelijk gebaseerd op de röntgendetector faseverandering factor na een X-ray passeert voorwerpen. XILPCI van zacht weefsel biedt micrometer ruimtelijke resolutie.
Vroege opsporing van kanker hangt vooral af van radiografische beeldvorming. De huidige onderzoeksmethoden magen voornamelijk uit CT [2-5], magnetic resonance imaging (MRI) [4, 6], endoscopie [7, 8] en gas-barium dubbel contrast X-ray gastrointestinalgraphy [9, 10]. De beeldresolutie van deze apparaten is op de millimeter schaal. De beeldresolutie die kan worden bereikt met röntgenstralen fasecontrast (XPCI) op de micronschaal. De röntgendetector faseverschuiving ongeveer 1000 keer groter dan de verandering in absorptie. Momenteel zijn er een aantal internationale onderzoeksteams voorstellen van verschillende contrast beeldvorming. De meest gebruikte methoden te bouwen XPCI systemen omvatten X-ray interferometer [11-13], diffractie versterkte beeldvorming [14-16], XILPCI [17, 18] en X-ray raspen interferometer [19].
Ruimtelijke resolutie uitdrukt het vermogen om fijne structuren op te lossen. Density resolutie (dat wil zeggen, contrast resolutie) drukt subtiele verschillen dichtheid. Op dit moment is de ruimtelijke resolutie van de micro-CT kan oplopen tot 2 pm [20] en micro-CT kan een tissue dichtheid verschil van 0,01 onderscheiden g /cm 3 [21], maar de beeldresolutie van micro-CT is nog steeds in millimeter schaal zonder gebruikmaking van afbeeldingsmiddelen. MRI biedt een goed contrast resolutie en ruimtelijke resolutie van zachte weefsels, maar het MRI resolutie is slechts op de millimeter schaal. De ruimtelijke resolutie wordt beperkt door de magnetische kracht van de MRI en moeilijk verder te vergroten.
Moment de vroegtijdige opsporing van maagkanker is voornamelijk afhankelijk van endoscopie en wordt bevestigd door een biopsie. De beeldresolutie van endoscopie is ongeveer 0,56 mm [22]. Patiënten voelde pijn in het proces van onderzoek, en er was het risico van perforatie en bloeden.
Gas-barium double contrast X-ray gastrointestinalgraphy is een veel voorkomende klinische instrument om maag- en darmaandoeningen te beoordelen. CO 2-barium wordt het meest gebruikt, vanwege de hogere veiligheid en lagere prijs. Vóór het onderzoek worden enkele aerogenic poeders oraal ingenomen door patiënten. Reacties tussen de droge poeders zal niet plaatsvinden totdat ze water tegenkomen. Het maagdarmkanaal zal worden uitgebreid door de geproduceerde CO 2 gas. Na een paar minuten, de patiënten nemen mondeling barium. De CO 2-barium double contrast X-ray imaging kan niet alleen zorgen voor een optimale visualisatie van mucosale afwijkingen, maar ook de intestinale peristaltische functie evalueren [9]. Echter, de werkwijze verboden om, wanneer een patiënt wordt vermoed maagdarmperforatie of volledige obstructie. De beeldresolutie is op de millimeter schaal. In het proces van onderzoek moeten patiënten meerdere X-ray bestraling ontvangen. Het is langzaam leeg barium in het lichaam van de patiënt na onderzoek.
XILPCI wordt gecombineerd met CT, die beelden op basis van fase tomografie biedt. Fasecontrast CT is ook bekend als diffractie CT [23] en is een potentieel nuttige beeldvormende werkwijze voor zachte weefsels zonder gebruikmaking van afbeeldingsmiddelen. De XILPCI beeldresolutie van zachte weefsels 0,74 urn bereiken zonder het gebruik van beeldvorming. Het verhoogt de nauwkeurigheid van de detectie en kan worden gebruikt om kanker vroege laesies observeren.
Werkwijzen
Setup en specimens
Naakt muizen geen normale thymus te bezitten en slechts restanten thymus thymus of abnormale epitheel, die niet kan produceren T-cellen van normale thymus epitheel deling. De lymfeklieren en de milt lymfocyten van naakt muizen zijn zeer klein, zodat naakt muizen zijn dieren bezitten minder lymfocyten en naakt muizen ook worden weergegeven huid en haar atrofie en folliculaire keratose. In het algemeen worden naakt muizen beschouwd als de dichtstbijzijnde menselijke genetische model bij proefdieren voor onderzoek naar menselijke ziekten. Een verscheidenheid aan menselijke kankers algemeen kunnen overleven in naakt muizen. Door hun immuundeficiëntie, hoeft niet naakt muizen weefsels van andere dieren af ​​te wijzen. Daarom kunnen zij worden gebruikt als recipiënten voor de transplantatie van menselijke kwaadaardige kankers.
In de pre-testproces, zowel de fysiologische condities van de menselijke maag simuleren en heldere beelden verkrijgen, vonden wij dat het beeld was duidelijk aan de eisen van onze experimenten te voldoen, toen we de maag exemplaren schoongemaakt van voedselresten en gevuld met lucht. Daarom hebben we besloten om de met lucht gevulde maag exemplaren voor de resterende experimenten te gebruiken. Ondernemingen De naakt muizen waren vrouwen en een gewicht van ongeveer 16 g in onze experimenten. Een totaal van 36 naakt muizen werden willekeurig verdeeld in 6 groepen van onze experimenten en elke groep 6 naakt muizen. De ene groep is naakt muis normale groep, en de andere 5 groepen zijn naakt muis maagkanker groepen. De naakt muizen in naakt muizen maagkanker groepen werden verdoofd met een intraperitoneale injectie van 0,72 mg (45 mg /kg) pentobarbital natrium. Nadat was verdoofd ontving elke naakt muis een dwarse incisie in de buik. De maag werd geëxtrudeerd, werd een incisie gemaakt en menselijke maagkanker BGC823 cellen [24] werden getransplanteerd in de maag naakt muis. Vervolgens werd de wond gehecht. Elke operatie duurde ongeveer 10 minuten. Na ongeveer een uur, het naakt muis wakker werd. Na de implantatie van maagkanker cellen werden 2 dagen doorgelaten voor eventueel dierlijke immuunresponsen. Na 3, 5, 7, 9 of 11 dagen werden de naakt muizen gedood en de maag van het naakt muizen verwijderd. De magen waren schoongemaakt en gevuld in formaline. De slokdarm en de twaalfvingerige darm in de buurt van de maag werden afzonderlijk gekneveld door hechtdraad. De gastrische monsters werden gefixeerd in 10% formaline-oplossing. Het dier studie werd goedgekeurd door de Experimental Animal Ethics Committee. De kwaliteit certificering van dieren is Sheng Chan Xv Ke (SCXK Beijing) 2005-0004.
Principe van XILPCI
Synchrotron straling [25] is elektromagnetische straling in die geladen deeltjes worden versneld tot bijna de lichtsnelheid in een magnetisch veld door de Lorentz kracht bij het bewegen met variabele snelheid langs het spoor tangent richting. Als lichtbron, de voordelen zijn duidelijk: brede band, hoge collimatie, hoge polarisatie, hoge zuiverheid, hoge helderheid, smalle puls en hoge coherentie. Synchrotronstraling heeft een hoge stabiliteit, hoge doorvoer en een micro-bundeldiameter. XILPCI Ondernemingen De experimenten werden uitgevoerd met de BL13W1 bundellijn van de Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) [26]. De BL13W1 bundellijn voornamelijk de productie van 2-dimensionale beelden van de biologische weefsels met behulp van XILPCI. De BL13W1 bundellijn gedeeltelijke faciliteit van SSRF werd afgebeeld als Figuur 1. XILPCI is ook wel Fresnel diffractie [27, 28] of coaxiale fase contrast beeldvorming. In 1995, A. Snigirev [29] gebruik gemaakt van een synchrotron lichtbron fase contrast beelden te verkrijgen. De XILPCI methode niet temporele samenhang van de lichtbron nodig. Het kunt multi-color lichtbronnen, zodat er geen noodzaak voor de belastende complexiteit van het monochrome systeem. De methode kan direct gebruik maken van micro-focus X-ray bronnen in plaats van synchrotronstraling bronnen. Dit voordeel kan XILPCI geschikt zijn voor de klinische geneeskunde in de toekomst te maken. Figuur 1 Het beeld van BL13W1 bundellijn gedeeltelijke faciliteit van SSRF. 1. Een multidimensionale specimen tafel. De monsters worden op het monster tafel gelegd om te draaien en de monsters werden in verschillende hoeken verkregen. 2. Röntgen CCD. Het verkregen projectieve beelden exemplaren 'met een hoge resolutie. 3. De precieze geleiderail. Kan de exacte afstand van de CCD naar de specimens controleren.
Wanneer een X-ray gaat door een monster, zoals in gewone optische, kan de complexe brekingsindex worden gebruikt om de eigenschappen te beschrijven. De brekingsindex is iets kleiner dan het aantal 1, kan worden geschreven als: n
=
1
-
δ
-
iβ
(1) De reële component δ vertegenwoordigt fase; en imaginaire deel β vertegenwoordigt absorptie termijn. δ wordt geassocieerd met fysieke faseverschuiving afdeling P; en β is gekoppeld aan de lineaire absorptiecoëfficiënt van het materiaal μ. De relatie tussen hen is als volgt: δ
=
ρ
e
r
e
λ
2
2
π
,
β
=
μλ
4
π
(2) P
=
2
πδ
λ
,
μ
=
4
πβ
λ
(3) λ is X-ray golflengte, ρ e de elektronendichtheid in het materiaal, r e is een klassiek elektron straal, en de grootte wordt bepaald door de elektronendichtheid van inwendige structuren objecten.
Wanneer een röntgenfoto gaat door het object, de fase en amplitude change. Faseovergang wordt bepaald door de δ en de demping wordt bepaald door de β. X-stralen, voor lichtere elementen (zoals C, H, O, etc.) van het materiaal, δ is 1000 keer meer dan β, zodat het faseverandering hoeveelheid veel groter dan de hoeveelheid verandering röntgenabsorptie demping . Wanneer een röntgenstraal golflengte is zeer kort, voor zwakke absorberende materiaal, de kleine veranderingen in dichtheid ook kan produceren grote faseverschuivingen, waardoor hoge fasecontrast wint. De ruimtelijke resolutie van fase contrast beeldvorming kan micron-schaal en een zeer fijne microstructuur van een object kan worden waargenomen bereiken.
Wanneer uniform tussenliggende lichtgolven door een oneffen oppervlak object passeren, ze onvermijdelijk faseveranderingen, namelijk vervorming golven 'te genereren. Als de verstoring golven blijven uitbreiden een bepaalde afstand, zal de vervorming golven interfereren met de niet-vervorming golven. . Derhalve kan worden geconcludeerd dat het verkrijgen fasecontrastbeelden vereist een coherente lichtbron en geschikte afstanden van de lichtbron naar het monster en van het monster naar de detector verkopen Steps van XILPCI
specifieke experimentele methodes: het naakt muizen gastrische monsters bevattende getransplanteerde menselijke maagkanker BGC823 cellen werden genomen uit formaline, verpakt met isolatiemateriaal en geplaatst op het monster tafel.
Wij vonden dat de röntgen- stralingsenergie van 13 keV was geschikt voor imagingexperiment bepaald dankzij we herhaaldelijk debugged X-ray energie. Het zal beelden te licht te maken als energie hoger is dan 13 keV. Het zal de blootstelling imaging eenmalige stijging te maken als energie is lager dan 13 keV. Afbeeldingen zal donker worden als de blootstelling tijd is te kort. Toen we verhoogde blootstelling tijd, kostte het ons meer tijd om te schieten meer dan 1000 beelden voor CT beeldreconstructie. Gastric exemplaren zal worden geleid tot ernstige vervorming als de shoot is te lang. Dus 13 keV is een optimale parameter van alomvattende factoren. De afstand van de lichtbron naar het monster is de lengte van de SSRF röntgenbron naar de maag monster op het monster tafel. De afstand was 59,3 m. De detector was 85 cm afstand van het monster, met 9 micrometer beeldresolutie en de belichtingstijd van 35-45 ms. Het duurde ongeveer 20 minuten om XILPCI projectieve afbeeldingen te verkrijgen met 0,1 graden stappen van de mate van 0-180 van een maag-exemplaar. Verkopen Steps van X-ray traditionele absorptie beeldvorming
Traditionele absorptie CT-beelden van maagkanker monsters waren gedaan met behulp van SIEMENS Inveon Scanners en Inveon Acquisition Werkplek met 1,5 service Pack. Maagkanker monsters werden op het monster tafel en experimentparameters werden opgespoord in operatiekamer om de proef te voldoen. De minimale resolutie van deze apparatuur was 11 urn. De energie van de röntgenstralen was 80 keV en 400 uA. Energy parameters hebben een maximaal vermogen van de apparatuur geweest. Een maagkanker monster werd gescand door draaien 360 °. Het moest 967 is een maagkanker exemplaar te scannen en te reconstrueren absorptie CT-beelden tegelijk.
GLCM methode
We gebruikten de 9 grijswaarde co-optreden matrix (GLCM) textuur kenmerken van hoekige tweede moment (ASM) , traagheid, inverse verschil moment (IDM), entropie, correlatie, som gemiddelde (SA), tijdsverschil gemiddelde (DA), de som entropie (SE), en het verschil entropie (DE) [30]. De GLCM is gedefinieerd als C ij
Angular tweede moment formule:. T Shirts 1
=
Σ
i
=
0
K
- 1
Σ
j
=
0
K
- 1
C
ij
2
(4) Inertia formule: T Shirts 2
=
Σ
i
=
0
K
- 1
Σ
j
=
0
K
- 1
i
- j
2
C
ij
(5) Inverse verschil ogenblik formule: T Shirts 3
=
Σ
i
=
0
K
- 1
Σ
j
=
0
K
- 1
1
1
+
i
- j
2
C
ij
(6) Entropy formule: T Shirts 4
=
- Σ
i
=
0
K
- 1
Σ
j
=
0
K
- 1
C
ij
inloggen
C
ij
(7) Marginal distributie afgeleid van GLCM. c
x
i
=
Σ
j
=
0
K
- 1
c
ij
(8) c
y
j
=
Σ
i
=
0
K
- 1
c
ij
(9) μ
x
, μ
y
, σ
x
, σ
y
respectievelijk vertegenwoordigen het gemiddelde en de standaarddeviatie van de marginale verdeling Ondernemingen de specificeren grijstinten en de kans som van het verschil tussen i en j express als volgt:. c
x
+
y
k
=
Σ
i
+
j
=
k
c
ij
k
=
0
,
1
,
2
,
⋯
,
2
K
- 2
(10) c
x
- y
k
=
Σ
i
- j
=
k
c
ij
k
=
0
,
1
,
2
,
⋯
,
K
-
1
(11) formule Correlatie: T Shirts 5
=
Σ
i
=
0
K
- 1
Σ
j
=
0
K
- 1
ij
C
ij
- PCA

Normal

3-days

5-days

7-days

9-days

11-days

F1
7.01 Beide auteurs gelezen en goedgekeurd het definitieve manuscript.

• Ernstige maag variceal bloeding als gevolg van de milt slagader trombose en opeenvolgende arteriële bypass
• BRCA1 grondlegger mutaties niet bijdragen aan een verhoogd risico op maagkanker in de Poolse bevolking