Ved hjelp av et skrått innfallende laserstråle for å måle de optiske egenskaper til mageslimhinnene /submucosa vev

Ved hjelp av en skrå laserstrålen til å måle de optiske egenskapene til mageslimhinnene /submucosa vev
Abstract
Bakgrunn
Formålet med studien er å bestemme de optiske egenskapene og deres forskjeller for normal menneskelig mageslimhinnene /submucosa vev i hjerteåpningen in vitro
på 635, 730, 808, 890 og 980 nm bølgelengder av laser.
Metoder
målingene ble utført ved hjelp av en CCD detektor, og de optiske egenskapene ble vurdert fra målingene ved hjelp romlig løst reflektans, og ikke-lineær montering av diffusjonsligningen.
resultater
målings~~POS=TRUNC resultatene~~POS=HEADCOMP viste at absorpsjonskoeffisienter, de reduserte sprednings koeffisienter, de optiske penetreringsdybde, diffusjonskoeffisientene, de diffuse reflektansmålinger og skift av diffuse refleksjon av vevsprøver på fem forskjellige bølgelengder varierer med en endring av bølgelengde. Maksimal absorpsjon koeffisient for vevsprøver er 0,265 mm -1 på 980 nm, og minimum absorpsjon koeffisient er 0,0332 mm -1 på 730 nm, og den maksimale forskjellen i absorpsjon koeffisientene er 698% mellom 730 og 980 nm, og den minste forskjellen er 1,61% mellom 635 og 808 nm. Den maksimale redusert spredningskoeffisienten for vevsprøver er 1,19 mm -1 ved 635 nm, og den minimale redusert spredningskoeffisienten er 0,521 mm -1 ved 980 nm, og den maksimale forskjell i de reduserte sprednings koeffisientene er 128% mellom 635 og 980 nm, og den minste forskjellen er 1,15% mellom 890 og 980 nm. Maksimal optisk inntrengningsdybde for vevsprøver er 3,57 mm ved 808 nm, og minimum optiske inntrengningsdybde er 1,43 mm ved 980 nm. Den maksimale diffusjonskonstant for vevsprøver er 0,608 mm ved 890 nm, og den minimale diffusjonskonstanten er 0,278 mm ved 635 nm. Den maksimale diffus refleksjon er 3,57 mm -1 på 808 nm, og minimum diffus refleksjon er 1.43 mm 1 ved 980 nm. Den maksimale forskyvning Ax av diffus refleksjon er 1.11 mm 1 ved 890 nm, og minimum skift Ax av diffus refleksjon er 0,507 mm 1 ved 635 nm.
Konklusjon Bedrifter Den absorpsjonskoeffisienter, de reduserte sprednings koeffisientene, den optiske penetreringsdybde, diffusjonskoeffisientene, den diffuse refleksjon og skift av diffus refleksjon av vevsprøver på 635, 730, 808, 890 og 980 nm bølgelengder varierer med en endring av bølgelengde. Det var signifikante forskjeller i de optiske egenskapene for vevsprøver på fem forskjellige bølgelengder (P
< 0,01).
Bakgrunn
Kunnskap om optiske egenskaper for human mageslimhinnen /submucosa vev i synlig og nær infrarødt (NIR) bølgelengdeområde som er av stor betydning i medisinske anvendelser ved hjelp av lys [1, 2], for eksempel laser koagulering for behandling av tidlig magekreft med intramucosal invasjon, laserablasjon terapi av submucosal magekreft [3], fotodynamisk ablasjon av tidlig kreft i magesekken [4], gastrointestinal (GI) diagnose av standard hvitt lys endoskopi (WLE) og endoskopisk diagnose av premaligne gastrointestinale lesjoner av fluorescens endoskopisk bildebehandling og spektroskopi [5-7], og den nylig utviklede optisk koherens tomografi (OCT) [8-10] er blitt rapportert av bildet GI vev in vitro og in vivo [11-13]. På grunn av mer enn 85% av alle krefttilfeller kommer i epitel foring av de indre overflater av det menneskelige legeme. Flertallet av slike lesjoner er lett behandles hvis diagnosen på et tidlig tilstand [14]. I tillegg til konvensjonelle metoder for kreftdiagnose [15-17], er det et behov for å utvikle nye tilnærmingsmåter som er enkel, objektiv, og ikke-invasiv.
Bruk av optiske teknikker for gastrointestinale diagnostiske formål, er avhengig av evnen til å måle den optiske egenskapene til gastrointestinal vev. I de senere årene har en økende gruppe forskere vært interessert i ikke-ioniserende, nær-infrarød (NIR) tilnærminger for å avdekke og bildebehandling syke vev. De foreslåtte teknikkene variere fra kontinuerlig bølge [18, 19] for å frekvens-domene [20, 21] eller tids avhang måling av spredt lys [22, 23]. Disse teknikkene er basert på bestemmelse av optiske egenskaper av spredningsmateriale. De optiske egenskapene er representert ved absorpsjonskoeffisienten μ a, spredningskoeffisienten μ s og anisotropi faktor g. Siden den optiske detektor og optisk imaging er basert på selektive forskjeller som eksisterer i optiske egenskaper for friske og patologiske vev, er det spesielt viktig for diagnostiske formål. For eksempel har laserinduserte autofluorescens (LIAF) spektroskopi funnet å være et lovende verktøy for tidlig kreftdiagnostikk i mage-tarmkanalen, inkludert andre organer [24, 25]. Følgelig vev optiske egenskapene til sunn og patologisk menneskelig gastrointestinal vev er viktig for medisinsk bruk i diagnose og terapi [26]. Vi har fokus i dette papir på de optiske egenskapene til normale humane mageslimhinnene /submucosa vevet i hjertestykket med det synlige og nær-infrarøde bølgelengdeområde. Resultatene ble analysert og sammenlignet fra disse eksperimentelle data vi innhentet.
Theory
Vi bruker en enkel to-kilde diffusjonsteori modell av romlig løst, steady-state diffus refleksjon [27]. Når lyset går inn i en semi-uendelig vev, vil det vanligvis spre en rekke ganger før enten bli absorbert eller rømmer vevsflaten på et annet språk enn sitt synspunkt inngangspunkt. Den formere spredt lys som unnslipper kalles diffus refleksjon. Wang og Jacques tror at for både normal og skrå forekomst, er det mer nøyaktig uttrykk for banelengden fra vevet overflate til den positive punktkilden hva det er blitt definert som 3D (D er diffusjonskoeffisienten) i stedet for en MFP '( mfp 'er transport bety fri bane). Disse to sakene ble vist skjematisk i Ref. [28]. Den diffuse refleksjon profil for skrå forekomst er sentrert om posisjonen av punktkilder, kan skiftet Ax ved å finne midten av diffus reflektans i forhold til lyset inngangspunktet måles. Som tilfellet er for normal forekomst, spredning teorimodell, når skiftet av Ax, er også enig med Monte Carlo resulterer utenfor 1-2 mfp "fra midten av diffus refleksjon, som det er viktig å gjenta, er ikke lenger på inntakspunktet som vist i Ref. [28]. De to-kilde-modellen, med en dybde på 3D-istedenfor en MFP ", gir følgende uttrykk [27, 28]: (1) som kan skaleres vilkårlig for å passe til en relativ reflektansen profil som ikke er i absolutte enheter. Dersom μ eff er den effektive svekkingskoeffisienten, er definert som (2) ρ
1 og ρ
2 er avstandene fra de to kildene til severdigheten (den . lyspunkt samling; se referanse [28]), og grensebetingelsen er inkludert i betegnelsen A [28]: (3) der (4) (5) n vev er brytningsindeksen for vevet n omgivelses er brytningsindeksen til det omgivende, og n rel er den relative brytningsindeksen for vev-luft-grenseflaten. En laserstråle er skrått innfallende på toppflaten av vevsprøven, hvor, θ vev er innfallsvinkelen til laserstrålen. D er diffusjonskoeffisienten, det kan beregnes fra Ax (6) der, er Ax avstanden mellom punktet for lys som faller inn og den tilsynelatende senter av diffus reflektans. I henhold til Lin et al [28] denne diffusjonskonstanten er lik (7) med μ s 'den reduserte spredningskoeffisienten, dvs. μ s (1-g), μ a absorpsjonskoeffisienten. De optiske egenskapene, μ a og μ s 'ble løst fra uttrykk og uttrykk for μ a og μ s' er vist som følger (8) (9) Metoden å bestemme vev optiske egenskaper, μ a og μ s ', må prøve den relative diffuse refleksjon profil på kjente posisjoner fra lyset inngangspunkt, og må beregne Ax og D, og ​​må utføre en ikke-lineær minste kvadraters passe med Levenberg-Marquardt metoden [29-31] i (1) for å bestemme μ eff, og deretter må løse for μ a og μ s 'fra uttrykkene. Metoden ble detailedly vist i Ref. [28].
Metoder
prøveopparbeidelse
normal menneskelig mageslimhinnene /submucosa vev i hjerteåpningen ble undersøkt i denne studien. Vevsprøver ble tatt fra 12 normale humane magene på hjerte åpningen ble bestemt fra histologisk undersøkelse, umiddelbart etter utskjæring vev. Hver fjernet mage prøve ble straks skyllet kort i saltvann for å fjerne overflate overskudd av blod og skrelles av overflatefett, ble plassert i en flaske med saltoppløsning så snart som mulig, og ble lagret i et kjøleskap ved -70 ° C. Fra vevsprøver totalt 12 mageslimhinnene /submucosa vevsprøver normale, med en midlere tykkelse på (10,32 ± 0,26) mm, ble anvendt i løpet av høyst 24 timer etter fjern. Tykkelsen av hver prøve ble målt og registrert med en verniercaliper med 0,02 mm feil. Alle vevsprøver ble henholdsvis tatt ut fra kjøleskapet før målingen, ble plassert på eksperimentell bordet ved romtemperatur på 20 ° C i en time, og deretter alle tining vevsprøver ble målt i sin tur ved hjelp av et skrått innfallende laserstråle og CCD-kamera, respektivt.
diffuse reflektansmålinger vev
Figur 1 viser et skjematisk diagram av det eksperimentelle oppsettet som brukes til å måle den relative profilen til diffus reflektans, og tabell 1 viser informasjon om lyskilden på eksperimentet. Vevsprøvene ble belyst med kollimert lys fra 635, 730, 808, 890 og 980 nm bølgelengde av laser, respektivt. Utgangen fra alle laserlys ble utvidet ved stråleutvideren på 25 ganger, og deretter ble dempes (til en kraft på høyst 5 mW) av lys attenuatorer, og ble reflektert av speilene, ble ført gjennom en 2 mm pinhole og en 35,2 mm fokus for objektivet, og deretter skrått innfallende på toppflaten av mageslimhinnene /submucosa vevsprøve ved en 45 graders vinkel mellom laseraksen og vinkelrett på vevsoverflaten (α i = 45 °), respektivt . Et lite stykke av gjennomsiktig linjal (med millimeter graderinger) ble anbragt på prøveoverflaten for skalaen, og en viss gradering av linjalen ble jevnet til senterdelen av punktet for forekomsten av laserstrålen, og avslutnings er utpekt som opprinnelsen av x-koordinat. Fra toppen av prøven et refleksjonsmønster kan observeres. Dette mønsteret er avbildet på en 795 × 596 piksler todimensjonal Charge Coupled Device (CCD) detektor (Nikon, Cool Pix, 995, Japan). Den innfallende strålen kan observeres som det mest intense område i bildet. Fordi laserstrålen var skrådd i forhold til overflaten av reflektansen mønsteret var asymmetrisk nær punktet for forekomsten, men den diffuse refleksjon langt fra kilden som dannes konsentriske sirkler, omtrentlig, og avstanden mellom opprinnelsen til x-koordinaten og sentrum av de konsentriske sirklene er avstanden Ax, og i sentrum av de konsentriske sirkler blir også beregnet. Fra avstanden Ax diffusjonskonstanten kan beregnes ved å anvende (6), med D diffusjonskonstanten i mm, Ax avstanden i mm. Denne testen bestod av å gjenta ti ganger refleksjonsmålinger, og de målte resultatene var reproduserbare for en bestemt prøve ved spesifikk bølgelengde. For hver test ble posisjonene til flekk av innfallende lys på prøveoverflaten endres for å redusere effekten av vevet heterogenitet på refleksjonsmålinger, og hver test ved hver laser-bølgelengde ble utført i den samme tilstand for eksperimentering, og eksponeringen tid ble satt til 800 ms. Totalt elleve vevsprøver ble anvendt for målingene in vitro. CCD datainnsamlingen ble styrt av en datamaskin for formålet. Databehandling og analyse av datafilene som ble utført med tilpasset programvare skrevet i Matlab (Matlab, Mathworks Incorporated, Massachusetts) .table 1 Typer, modell av laser og effekten av å bruke lyskilde på eksperimentet
Lyskilder
modell
Effekt

635 nm bølgelengde av diode laser
nLIGHT, USA, modell NL-FBA-2,0-635
P ≤ 5 mW
730 og 890 nm bølgelengder av Ti: S ring laser
sammenhengende, USA, modell 899-05
P ≤ 5 mW
808 nm bølgelengde av diode laser
nLIGHT , USA, modell NL-FCA-20-808
P ≤ 5 mW
980 nm bølgelengde av diode laser
nLIGHT, USA, modell NL-FCA-30-980
P ≤ 5 mW
Figur 1 Skjematisk diagram av det eksperimentelle oppsettet som brukes for måling av diffusjonskonstant og fordelingen av diffus refleksjon lys.
Statistisk analyse
optiske parametere av biologiske vevsprøver ble uttrykt som gjennomsnitt ± SD, ble demonstrert ved en Student t
-test, og ble ansett som signifikant ved p
verdier < 0,01. Den SPSS10 ble brukt for statistisk analyse.
Resultater
De optiske egenskapene er uttrykt som gjennomsnitt ± SD for alle målinger for prøvene. Figurene 2, 3, 4, 5, 6 og 7 til stede avhenger av bølgelengden absorpsjonskoeffisientene, de reduserte sprednings koeffisientene, de optiske penetreringsdybde, diffusjonskoeffisientene, den diffuse refleksjon og skift av diffuse refleksjon for normal mageslimhinnene /submucosa vev i hjerteåpning på fem ulike bølgelengder av laser, henholdsvis. De vertikale linjene tilsvarer verdiene for standardavvik (SD), som er bestemt av en Student t
-test, og feilfelt vises på 635, 730, 808, 890 og 980 nm bølgelengder av laser for klarhet og representerer en standardavvik i μ a, μ s ', δ, D, R ∞ og AX verdier. Figur 2 avhenger av bølgelengden absorpsjonskoeffisientene u en av normale mageslimhinnene /submucosa vev i hjerte-åpningen. De tomme punkter svarer til gjennomsnitts absorpsjonskoeffisienter og de vertikale linjene angir SD-verdier.
Figur 3 Bølgelengden avhengighet av den reduserte sprednings koeffisientene μ S 'av normale mageslimhinnene /submucosa vev i hjerte-åpningen. De tomme punkter tilsvarer de gjennomsnitt redusert spredning koeffisientene og de vertikale linjene viser SD verdier.
Figur 4 De optiske penetreringsdybde δ av normal mageslimhinnene /submucosa vev i hjerteåpning på 635, 730, 808, 890 og 980 nm. De tomme punkter tilsvarer gjennomsnittlig optisk penetreringsdybde og de vertikale linjene viser SD verdier.
Figur 5 Diffusjonskoeffisientene D av lys i normal mageslimhinnene /submucosa vev i hjerteåpning på 635, 730, 808, 890 og 980 nm. De tomme punkter tilsvarer gjennomsnittlig Diffusjonskoeffisientene og de vertikale linjene viser SD verdier.
Figur 6 diffus refleksjon R ∞ normal mageslimhinnene /submucosa vev i hjerteåpning på 635, 730, 808, 890 og 980 nm . De tomme punkter tilsvarer gjennomsnittlig diffuse refleksjon og de vertikale linjene viser SD verdier.
Figur 7 Skiftet Ax av diffus refleksjon av normale mageslimhinnene /submucosa vev i hjerteåpning på 635, 730, 808, 890 og 980 nm. De tomme punkter tilsvarer den gjennomsnittlige forskyvning Ax av diffus reflektans og de loddrette linjer viser SD-verdier.
Diskusjon
De optiske egenskapene til et biologisk vev er avhengig av dens biokjemiske sammensetning og dets cellulære og subcellulære struktur. I det synlige og nær-infrarøde område, er absorpsjon egenskaper relatert til konsentrasjonen av kromoforer som for eksempel oksyhemoglobin og deoksyhemoglobin, fett og vann [32]. Slike chromophores varierer betydelig med vev metabolisme [33]. Det spredende egenskaper er relatert til størrelsesfordelingen av celler og organeller, som er parametere som benyttes for å skille normale fra abnormale vev i standard histopatologiske [34]. Derfor optiske målinger har et stort potensial for utvikling av invasiv in vivo
medisinske diagnoseverktøy, ofte kalt "optisk biopsi". Slike teknikker bør forbedre effektiviteten i biopsier eller hjelpe med å bestemme tumor marginer i et kirurgisk felt. Ifølge våre eksperimentelle data, absorpsjon koeffisientene, de redusert spredning koeffisientene, de optiske penetreringsdybde, diffusjonskoeffisientene, den diffuse refleksjon og skift av diffus refleksjon for normale mageslimhinnene /submucosa vev i hjerteåpning på 635, 730, 808 , 890 og 980 nm ble bestemt in vitro. I vår studie, er det interessant å merke seg de optiske egenskapene målt og deres forskjeller for vevsprøver på fem ulike laser bølgelengder. Vi tror de optiske egenskapene skal bidra til patologisk diagnose og medisinsk behandling for ondartet eller premaligne gastrointestinal slimhinne med letthet ved hjelp av optiske metoder.
Figur 2 og Figur 3 viser absorpsjonskoeffisienter og redusert spredning koeffisientene vevsprøver på fem ulike laser bølgelengder, henholdsvis. Fra figur 2 og figur 3, kan det sees at absorpsjonskoeffisienter for vevsprøver øker med økningen av laserbølgelengder, med unntak av absorpsjonskoeffisient ved 730 nm, og de reduserte sprednings koeffisienter for vevsprøver avta med økning av laserbølgelengder . Det var signifikante forskjeller i absorpsjon koeffisientene på fem forskjellige laserbølgelengder (P
< 0,01). Maksimum og minimum absorpsjon koeffisientene er 0,265 mm 1 ved 980 nm og 0.0332 mm -1 på 730 nm, henholdsvis. Maksimum og minimum forskjeller i absorpsjons-koeffisientene er 698% mellom 730 og 980 nm og 1,61% mellom 635 og 808 nm, respektivt. Det var også betydelige forskjeller i Redusert spredning koeffisientene på fem forskjellige laserbølgelengder (P
< 0,01). Den maksimale og den minimale redusert spredning koeffisientene er 1,19 mm -1 ved 635 nm og 0,521 mm -1 ved 980 nm, hhv. Maksimum og minimum forskjeller i de reduserte sprednings koeffisientene er 128% mellom 635 og 980 nm og 1,15% mellom 890 og 980 nm, respektivt.
Figur 4 viser at de optiske penetreringsdybde for vevsprøver varierer med økningen av laseren bølgelengder. Det var signifikante forskjeller i de optiske penetreringsdybde på fem forskjellige laserbølgelengder (P
< 0,01). Maksimum og minimum optiske penetreringsdybde er 3,57 mm ved 808 nm og 1,43 mm ved 980 nm, hhv. Maksimum og minimum forskjeller i de optiske penetreringsdybde er 150% mellom 808 og 980 nm og 5,36% mellom 730 og 890 nm, respektivt. Fra figur 5 kan det sees at diffusjonskoeffisientene for vevsprøver varierer med økningen av laserbølgelengder. Det var også betydelige forskjeller i Diffusjonskoeffisientene på fem forskjellige laserbølgelengder (P
< 0,01). Maksimum og minimums Diffusjonskoeffisientene er 0,608 mm 1 ved 890 nm og 0,278 mm 1 ved 635 nm, henholdsvis. Maksimum og minimum forskjeller i diffusjonskoeffisientene er 119% mellom 635 og 890 nm og 12,0% mellom 890 og 980 nm, respektivt. Figur 6 viser at den diffuse refleksjon for vevsprøver avta med økning av laserbølgelengder. Det var signifikante forskjeller i diffuse refleksjon på fem forskjellige laserbølgelengder (P
< 0,01). Den maksimale og den minimale diffuse refleksjon er 0,456 ved 635 nm og 0,0732 ved 980 nm, hhv. Den maksimale og den minimale forskjeller i den diffuse refleksjon er 523% mellom 635 og 980 nm og 7,29% mellom 635 og 730 nm, respektivt. Fra figur 7 kan det ses at skift Ax av diffus reflektans for vevsprøver variere med økningen av laserbølgelengder. Det var også betydelige forskjeller i skift Ax av diffus refleksjon på fem ulike laserbølgelengder (P
< 0,01). Den maksimale og den minimale forskyvning Ax av diffus reflektans er 1,11 mm ved 890 nm og 0,507 mm ved 635 nm, hhv. Den maksimale og den minimale forskjeller i skift Ax av diffus reflektans er 119% mellom 635 og 890 nm og 11,7% mellom 890 og 980 nm, respektivt.
Det er betydelige forskjeller i de optiske egenskapene til vevsprøver mellom forskjellige bølgelengder av laser (P
< 0,01). Bashkatov, et al. [35] og Holmer et al. [36] har rapportert de optiske egenskapene til gastrisk vev av forskjellige optiske målemetoder, de data som avhenger av bølgelengden absorpsjonskoeffisienten, den reduserte spredningskoeffisienten og den optiske inntrengningsdybde av human mageslimhinnen vegg er svært lik for å sammenligne data fra Bashkatov, et al. og Holmer et al. med våre data i spektralområdet fra 600 til 1000 nm.
Konklusjon
Som konklusjon viser resultatene som presenteres her viser at forskjeller i de optiske egenskaper, nemlig absorpsjonskoeffisientene, de reduserte sprednings koeffisientene, den optiske penetreringsdybde , diffusjonskoeffisientene, den diffuse refleksjon og skift av diffus refleksjon for normal mageslimhinnen /submucosa vev i hjerteåpning på 635, 730, 808, 890 og 980 nm er betydelig in vitro (P
< 0,01), og potensialet og løfte ved hjelp av et skrått innfallende laserstråle for å måle de optiske egenskaper til vev for kliniske studier. Vev av forskjellige patologier har forskjellige optiske egenskaper vev og vev i forskjellige steder for normale humane mage har forskjellige optiske egenskaper vev [2]. De foreløpige resultatene som presenteres kan brukes til utvikling av optisk teknologi, og kan være nyttig i tidligere diagnose, fotodynamisk og fototermiske behandling i mage-tarmkanalen
Forkortelser
NIR.
Nær infrarød

GI:
gastrointestinal
WLE:
hvitt lys endoskopi
oktober:
optisk koherens tomografi
LIAF:
laser-indusert autofluorescence
mfp ':
transport bety fri bane

D:
diffusjonskoeffisienten
SD:
standardavvik
Erklæringer
Takk
forfatterne ønsker å takke Natural Science Foundation of China (artikkelnummer 30470494 National; 30627003) og Foundation Natural Science of Guangdong-provinsen (artikkelnummer 7117865) for å støtte dette arbeidet.
Forfatternes opprinnelige innsendte filer for Images Nedenfor er linkene til forfatternes originale innsendte filer for bilder. 12876_2008_356_MOESM1_ESM.pdf Forfatteroriginalfilen for figur 1 12876_2008_356_MOESM2_ESM.pdf Forfatteroriginalfilen for figur 2 12876_2008_356_MOESM3_ESM.pdf Forfatteroriginalfilen for figur 3 12876_2008_356_MOESM4_ESM.pdf Forfatteroriginalfilen for figur 4 12876_2008_356_MOESM5_ESM.pdf Forfatteroriginalfilen for figur 5 12876_2008_356_MOESM6_ESM.pdf Forfatteroriginalfilen for figur 6 12876_2008_356_MOESM7_ESM.pdf Forfatteroriginalfilen for figur 7 konkurrerende interesser
forfatterne hevder at de ikke har noen konkurrerende interesser.

• Palliativ distal gastrektomi gir ingen overlevelse fordel fremfor gastrojejunostomi for magekreft med obstruksjon: retrospektiv analyse av en 11-årig experience
• Reseksjon av distale magesonde kreft med sentinel node biopsi: en kasuistikk og gjennomgang av litteraturen