Chromoendoscopy i magnetisk styrt kapsel endoskopi

Chromoendoscopy i magnetisk styrt kapsel endoskopi
Abstract
Bakgrunn
Diagnostisering av intestinal metaplasi og dysplasi via vanlig endoskopi er preget av lav interobserver avtalen og dårlig korrelasjon med histopatologiske funn. Chromoendoscopy øker betydelig synligheten av slimhinner uregelmessigheter, som metaplasi og dysplasi slimhinner. Magnetisk guidet kapsel endoskopi (MGCE) tilbyr en alternativ teknologi for øvre GI eksamen. Vi forventer vanskelighetene med diagnosen svulst i konvensjonell endoskopi for å overføre til MGCE. Derfor tar vi sikte på å kartlegge en bane for anvendelse av chromoendoscopy på MGCE via en ex-vivo dyrestudie.
Metoder
Vi foreslår en modifisert forberedelse protokoll som legger til en farge skritt til eksisterende MGCE forberedelse protokollen. En optimal farging konsentrasjonen bestemmes kvantitativt for forskjellige flekktyper og patologier. For dette formål 190 gris magen vevsprøver med og uten lesjon imitasjoner ble farget med forskjellige fargekonsentrasjoner. Kvantitative visuelle kriterier er innført for å måle kvaliteten på farging med hensyn til slimhinner og lesjon synlighet. Thusly bestemmes optimale konsentrasjoner blir testet i en ex-vivo gris magen eksperiment henhold magnetisk veiledning av en endoskopisk kapsel med modifisert protokoll.
Resultater
Vi fant ut at den foreslåtte protokollen endringen ikke påvirke sikten i magen eller styrbarhet av endoskopi kapsel. En gjennomsnittlig optimal farging konsentrasjon for den foreslåtte protokollen ble funnet på 0.4% for Methylene blå og Indigokarmin. Lesjonen synlighet er forbedret ved hjelp av tidligere oppnådd optimal fargekonsentrasjons
. Konklusjoner
Vi konkluderer med at chromoendoscopy kan påføres i MGCE og forbedrer slimhinner og lesjon synlighet. Systematisk evaluering gir viktig informasjon om egnet farging konsentrasjon. Men ytterligere dyr og mennesker in vivo studier er nødvendig.
Nøkkelord
Metylenblått Indigokarmin Farging Bakgrunn
Selv om forekomst og dødelighet er synkende, magekreft med 738.000 tilfeller på verdensbasis i 2008 er den andre mest dødelige fordøyelses svulst i verden [1]. Intestinal metaplasi og dysplasi er forløpere for kreft [2]. Identifiseringen av disse lesjonene og oppfølging av berørte pasienter kan føre til tidlig diagnose og behandling, og dermed øke overlevelsen av pasienten [3, 4]. Esophagogastroduodenoscopy (EGD) er den vanligste fremgangsmåten for diagnose og behandling. Men for påvisning av metaplasi og dysplasi konvensjonell EGD er preget av lav interobserver avtalen og dårlig korrelasjon med histopatologiske funn [5, 6].
Ulike teknikker er tilgjengelige for å styrke og synliggjøre slimhinner uregelmessigheter og for å øke synligheten av strukturer som ligge under overflaten av slimhinnen. De viktigste metodene omfatter smale band bildebehandling, konfokal laser endomicroscopy, forstørrelse endoskopi, optisk koherens tomografi og chromoendoscopy [7-10]. Disse teknikkene har ofte blitt sammenlignet mot hverandre, eller i kombinasjon med hensyn til effekt i diagnostisk treffsikkerhet (for eksempel i [11, 12]). Men en vesentlig forskjell mellom chromoendoscopy og alle konkurrerende teknikker ligger i mangelen for ekstra maskinvare. Chromoendoscopy krever ingen modifikasjon av maskinvaren i avbildningssystemet.
Videre chromoendoscopy i EGD og kolonoskopi har vist seg å betydelig forbedre synligheten av slimhinne uregelmessigheter, som metaplasi og dysplasi [13]. Chromoendoscopy består av den topiske påføring av forskjellige flekker for å forbedre vev sikten, lokalisering og karakterisering i den hensikt å bedre diagnose. Chromoendoscopy vanligvis består av fire trinn for absorpsjonsanordninger, beis og tre trinn for kontrast flekker: (1) Anvendelse av en syreoppløsning for å oppløse gastrisk slim, (2) lokal anvendelse av en flekk, (3) (bare for absorberende flekker) vasking av respektive region med vann og (4) visuell undersøkelse av de fargede regioner for diagnostiske formål. I (1) - (3) anvendelsen av fargestoffet utføres lokalt ved hjelp av arbeidskanalen av endoskopet og ulike stråle kateter (direkte metode) under visuell veiledning av endoskopet. For kolonoskopi den passive anvendelse av flekken med et fargestoff-pulverfylt kapsel er også blitt rapportert [14, 15]. I denne fremgangsmåten en kapsel med fargestoff pulver blir gitt til pasienten etter administrering av en tarm rensing løsning slik som PEG. Mellom fargestoff administrasjon og koloskopi undersøkelse trengte en ventetid. Bruk av fargestoff i morgen, og eksamen i ettermiddag ble rapportert som et tilstrekkelig stort tidsrom [14]. Selv om fremgangsmåten ble funnet å være gjennomførbart, har vanskeligheter blitt rapportert på grunn av den inhomogene anvendelse av flekken [16]. Den orale anvendelsen av fargestoff for undersøkelse av maven uten å bruke et sprøytekateter (indirekte metode) er blitt beskrevet i [15, 17].
Nylig har ulike tilnærminger for magnetisk åpent kapsel endoskop (MGCE) for mage og tynntarm undersøkelser ble presentert [18-23]. I en klinisk studie på mennesker, MGCE viser gjennomførbarheten av mage leting med en styrt kapsel endoskop [18, 19]. I dette konkrete studien magen var fylt med vann og kapselen ble navigert fra utsiden ved hjelp av et eksternt magnetfelt. En operatør kan styre bevegelse av kapselen under undersøkelsen ved hjelp av tilbakemelding fra sanntids avbildning gastrisk tilgjengelig av to kapselkamerasensorer. Derfor kunne han få et tilstrekkelig antall mage-overflate bilder med diagnostisk verdi.
Vi forventer at kjente problemer i diagnostisering av neoplasi, om interobserver enighet i konvensjonell endoskopi, overføre til MGCE. MGCE kunne dermed dra nytte chromoendoscopy på samme måte klassiske endoskopi gjør. Men sammenlignet med den direkte anvendelse av flekken i EGD og de fleste koloskopi prosedyrer, i MGCE bare indirekte applikasjon er mulig. Ingen sure forberedelse og vask av mageslimhinnen er mulig. Videre må vannet som kapselen manøvreres, ikke være farget på nivåer som reduserer den generelle sikten. Konkurrerende metoder som smale bånd avbildning i diagnostiseringen av kolorektal neoplasi er vanskelige å integrere i en kapsel endoskop [11]. Videre, som i mange endoskopiske teknikker den eksakte virkningen av chromoendoscopy og de tekniske detaljene er ennå ikke klarlagt [24, 25]. For eksempel i litteratur ([5, 26, 27]) kan man finne tre forskjellige konsentrasjoner av metylenblått fargestoff og lukketider for undersøkelse av mage svulst. Jakten på en optimal konsentrasjon for en farging prosedyre i animalske og menneskelige forsøk har blitt rapportert et par ganger, men uten støtte fra en grundig analyse. I [28] en optimal farging konsentrasjon for samtidig konfokal laser endomicroscopy og chromoendoscopy med cresylfiolett blir vurdert i Muser, men uten et objektivt kriterium. I [29] en optimal farging konsentrasjon for endocytoscopy ble vist i en ex-vivo dyrestudie hvor fersk resected svin spiserør, magesekk og tykktarm ble undersøkt. Bildekontrast og farging status ble evaluert av eksperter for hvert organ for å bestemme den beste konsentrasjonen. Resultatene ble overført til resected organer. Problemet med en manglende systematisk studie for klassisk chromoendoscopy i magen overføringer til MGCE og blir mer alvorlig gjennom de utfordringene den indirekte påføring av beis.
I denne artikkelen vi vurdere mulig anvendelse av chromoendoscopy å MGCE i en ex-vivo dyrestudie. Først, foreslår en modifikasjon av MGCE fremstilling protokollen for å inkorporere en fargeprosedyre for chromoendoscopy. For det andre, presenterer vi en metode for å systematisk vurdere en optimal konsentrasjon av fargestoff for den foreslåtte protokollen modifisering. Optimaliseringen blir utført i eksperimenter med gris mage vevsprøver og med hensyn til den beste synligheten av vev av forskjellig histologisk og patologisk art. Tredje, overfører vi disse resultatene til en ex-vivo gris magen eksperiment henhold magnetisk veiledning av en kapsel endoskop. Disse eksperimentene bør avgjøre: a) den samlede under vann synlighet etter den foreslåtte passive farging protokollen; og b) slimhinnen og lesjon sikten med den optimaliserte fargestoff konsentrasjonen.
veiledning magneten er teknisk sett lik den som ble brukt for det humane studiet [18, 19]. Alle navigasjonsfunksjoner av denne studien er også tilgjengelig i vår oppsett. Systemet er en felles utvikling av SIEMENS Healthcare og Olympus Medical Systems Corp. Dens viktigste komponentene er: (1) En veiledning magnet som består av et sett av elektromagnetiske spoler som definerer et arbeidsvolum og slik at føreren kan styre en kapsel endoskop med 5 grader av frihet (DOF). Den magnetiske flukstetthet har et maksimum på 100 millitesla. (2) En kapsel endoskop av 31mm lengde produsert av Olympus Medical Systems Corp med en innebygd permanent magnet og to CCD-kameraer hver sending 2 bilder per sekund i sanntid til en ekstern mottaker festet til pasientens kropp. (3) En skjerm som viser kapselen bilder til operatøren. (4) Et sett med styrespaker som tillater operatøren å manøvrere kapselen inne i magen. Orienteringen av en elektromagnetisk (EM) felt orienterer kapselen i magen. EM feltet sammen med et EM-felt gradient generere krefter på kapselen endoskopet på mindre enn 1 millinewton. Dette er tilstrekkelig for translatoriske bevegelser. Flere detaljer om maskinvare og programvare for design av veiledningen magnet kan finnes i [30]. Veiledning av kapselen er utført basert på sanntids bildebehandling levert av kapselen endoskop inne grisen magen.
I [31] en gris magen studien ble presentert for å forbedre slimhinnen synlighet i MGCE bruker metylen blå. Denne undersøkelsen var begrenset til bare noen få tilfeller og et enkelt fargestoff. Det magnetiske styrbarheten ble bare simulert ved hjelp av en kunststoffbærer og det var ingen systematisk evaluering av en optimalisert fargestoff konsentrasjon før forsøkene. Mens det i dette papiret det magnetiske styreegenskapene oppnås med en kapsel veiledning magnet. Studien er gjennomført med et stort antall gris mager og fører til en systematisk vurdering av to optimale fargetyper.
Metoder
Modifisering av forberedelse protokoll for MGCE
etablert forberedelse protokollen som brukes for eksisterende menneskelige MGCE studie med 43 pasienter består av tre behandlinger med vann fra springen før eksamen: [18, 19]
Eksisterende MGCE forberedelse protokollen
E.1 500 ml rent vann ved romtemperatur en time og 15 minutter før eksamen og etter faste over natten.
E.2 400 ml rent vann ved romtemperatur 15 minutter før eksamen etterfulgt av lette øvelser.
E.3 400 ml klart vann på nær kroppstemperatur, umiddelbart før eksamen .
Alle søknader blir gitt muntlig. Trinn E.1 og E.2 er primært beregnet for rengjøring av magen. Trinn E.3 tar sikte på å utvide magen for å få nok plass for kapselen som skal manøvreres, og for fullstendig synlighet i mageslimhinnene uten mage folder overlapper hverandre, og til slutt å skjule relevante slimhinne deler. Trinn E.3 kan ikke endres siden det er avgjørende for veiledning av kapselen inne i magen. Vi regner med at vannet skal være farget i en slik grad at den generelle sikten reduseres når flekken er direkte påført før E.3. Derfor foreslår vi å passe en fargingstrinn mellom trinn E.1 og E.2 av den eksisterende fremstilling protokollen. For å drive videre forsøk med dyr fantomer følgende protokollen er vedtatt for gris magen:
Modifisert MGCE forberedelse protokoll for gris magen
M.1 2000 ml rent vann ved romtemperatur som tømmes ut av magen umiddelbart etter administrering. Hensikten med dette trinnet er fortsatt rensing av magen fra slim og /eller gjenværende mat.
M.2 100 ml fargestoff, etterfulgt av 5 minutters massasje og knaing av magen for å simulere peristaltisk bevegelse, etterfulgt av å tømme mage fra fargestoffet. Dette trinnet gjelder fargestoff til magen vegger. Massasje og elting magen simulerer peristaltiske bevegelse og er utført under forutsetning av at fargestoffet ville være naturlig spredt ut over alle anatomiske områder i magesekken i den naturlige tilfelle. Simulere fordøyelses peristaltikk via en massasje stomacher pose eller et wiretrekk-systemet for å skape peristaltiske bevegelse i en mekanisk mage modell ble rapportert i [32, 33].
M.3 500 ml klart vann ved romtemperatur, som forblir i magen i 5 minutter og blir deretter tømt ut. Dette trinnet er lik E.2 av standard MGCE prosedyren, men denne gangen er det evakuerer også de resterende fargestoff.
M.4 2000 ml rent vann på nær kroppstemperatur, umiddelbart før eksamen (samme formål som E.3 ).
Alle søknader blir utført gjennom spiserøret og har til hensikt å simulere oral bruk av vann og fargestoff. Ved hjelp av en kombinasjon av vann, for å utvide magen, og fargestoff samtidig som var antatt å være uforenlig med MGCE siden synligheten av kapselen ville bli dårligere. Tømmingen utføres ved forsiktig å klemme magen og imiterer de naturlige evakuering av mageinnhold i tynntarmen. Mengden av vann for vasking og utvider magesekken (trinn M.1 og M.4) ble satt til større verdier på grunn av større størrelse med en gris magen
. Lesjoner og lesjoner imitasjoner
vurdere fordeler av chromoendoscopy i MGCE den foreslåtte metoden er testet på sunn slimhinner og neoplastiske lesjon imitasjoner. Lesjoner av mulig tidlig magekreft (EGC) er delt opp i 3 hovedkategorier: fremstikkende (0-I), ikke-utstikkende og ikke-utgravd (0-II), utgravd (0-III) med hver av disse typene å ha flere sub -types [34]. To lesjonstyper anses for å vurdere fordelene ved chromoendoscopy med den foreslåtte modifisert protokoll: pseudopolyps for å simulere en fremstikkende (0-lp) lesjon og ikke-deprimerte stikker noe lesjoner av typen 0-IIc. I [35] en fremgangsmåte er beskrevet for å skape en pseudopolyp ved hjelp av en spiserørs variceal ringsanordning. Vi brukte en lignende metode, men benyttet en sutur for å utføre en ligering av mageslimhinnene for å skape en pseudopolyp. For simulering av 0-IIc ikke-utstikkende lesjoner 10% HCl-oppløsning ble påført på mageslimhinnene i 15 sekunder og vasket ut med vann fra springen. Åtte eksempel bilder (fire av 0-lp og fire av 0-lic) av de dannede lesjoner imitasjoner er vist i figur 1. Figur 1 Lesjon imitasjoner: Figur 1 (A): Fire eksempler på ikke-utstikkende litt-deprimerte lesjoner (0 -IIc) kontur med mørke linjer, figur 1 (B): Fire eksempler på pseudopolyps (merket med piler) for å simulere en stikker lesjon (0-lp)
flekker
Under EGD eller koloskopi, ulike flekker brukes. for chromoendoscopy. De er klassifisert som absorberende, kontrast, eller reaktive [24]. I våre forsøk bruker vi en absorberende flekk (metylen blå) og en kontrast flekk (Indigokarmin). Metylenblått, absorberes av spesifikke celletyper og høydepunkter derfor gjennom fortrinnsrett absorpsjon. Indigokarmin er ikke absorberende og fremhever slimhinnene ved mekanisk pooling i cervices mellom epitelceller, fett eller deprimert lesjoner og andre uregelmessigheter. Lesjonen imitasjoner av typen 0-IIc (tidlig magekreft) er farget med indigo Carmine som beskrevet i [36]. . For farging av fine detaljer i slimhinnene Metylenblått brukes
Visuelle kriteriene for en optimal flekken konsentrasjon
En farge prosedyre for chromoendoscopy i MGCE har ekstra utfordringer i forhold til klassisk chromoendoscopy involverer et fleksibelt endoskop: Lokal påføring av beis som anvendt i EGD og kolonoskopi er ikke mulig i MGCE, heller ikke er en syre fremstilling av slimhinnene eller vasking av gastriske slimet etter påføring av flekken. Den optimale fargekonsentrasjons er kvantitativt og systematisk vurdert og videre anvendes i den foreslåtte modifiserte protokollen. For dette formål er et stort antall bilder fra gris mage vevsprøver farget med forskjellige fargestoffkonsentrasjoner for å bestemme en optimal fargekonsentrasjon (se figurene 2 og 3). Siden vi funnet at enkel visuell inspeksjon er ikke tilstrekkelig til å nøyaktig bedømme den optimale flekken konsentrasjon, vi definert to objektive visuelle parametere for å evaluere konsentrasjonen tilført frisk slimhinne og 0-IIc lesjon imitasjoner: Figur 2 metylen blå farving: Pig mageplaster som stammer fra ulike mager farget med konsentrasjon fra 0% til 1,4% metylen blå. (A): ingen farging, (B): 0,2%, (C): 0,4%, (D): 0,6%, (E): 0,8% (F): 1%, (G): 1,2%, ( H): 1,4%. Bilde av 2 x 2 cm gris magen patcher ble beskåret til 1,8 x 1,8 cm.
Figur 3 grisen magen flekker med lesjon imitasjon farget med ulike konsentrasjoner av Indigokarmin. (A) ingen farging, (B) 0,2%, (C) 0,4%, (D) 0,6%, (E) 0,8%, (F) 1%. Non-utstå litt-deprimerte lesjoner (0-IIc) er formet med røde skisserer. Bilde av 2 x 2 cm gris magen patcher ble beskåret til 1,8 x 1,8 cm
1. lesjon-til-bakgrunn kontrast. Kontrast i bildet kan defineres som den kvantitative forskjellen, i form av farge og intensitet, mellom flere nabo romlig image regioner eller objekter i et bilde. For endoskopiske bilder kontrast kan tolkes som den lokale kvalitativ forskjell i farge og /eller intensitet mellom nabo patologisk og friskt vev. En optimal konsentrasjon flekken for visualisering av en lesjon ville derfor være definert ved en konsentrasjon som fører til en maksimal kontrast mellom patologisk og sunn mucosa. Chromoendoscopy tar sikte på å forbedre denne kontrasten så mye som mulig av det anvendte fargestoff og resulterende endringer i maling av forskjellige typer mucosa. Vi tildeler en poengsum jeg
c
som uformelt kan defineres som den gjennomsnittlige kontrasten mellom lesjon vev og friskt vev.
For beregningen av kontrast poengsum I
c
to regionene R
l Hotell og R
h
er definert for bildet regionen med lesjoner og det friske vevet hhv. Da kontrasten i et bilde kan beskrives som den kvantitative forskjellen mellom forskjellige bilde regioner. En måling av kontrast jeg
c
mellom begge regioner kan derfor være betegner som Jeg
c
=
g
(
R
l
)
-
g
(
R
h
) product: (1) hvor g plakater (·) refererer til den grå-skala konvertering av den opprinnelige fargebilde. For å beregne en slik kontrast poengsum for hvert bilde de to regionene R
l Hotell og R
h
velges manuelt inne i en region med lesjoner og det friske vevet. Denne merking prosessen ikke segment nøyaktig grensen mellom sunt og sykt vev. Manuell segmentering er alltid gjenstand for eksperten. Mer spesielt en nøyaktig oppdeling er forholdsvis uviktig, i forhold til den totale kontrast mellom to bildeområdene. Derav en nøyaktig region segmenteringen er ikke nødvendig. Figur 4 viser et eksempel på en manuelt segmentert sykt vevsområde. Verdien på et gråtonebilde ligger mellom 0 og 255. Derav poengsum for lesjon-til-bakgrunn kontrast vil også ligge mellom disse to verdier, der en liten verdi skulle tilsi dårlig kontrast og en høy verdi skulle tilsi et bilde med høy kontrast mellom lesjon og bakgrunn. I [29] en slik tilnærming ble definert til å bestemme den optimale kontrast mellom cytoplasma og kjerner for endocytoscopy. Figur 4 Merking metode eksempel: Figur 2 (A): uten etiketter. Figur 2 (B): Den segment sykt vev regionen er avgrenset av en rød linje. Punktene på den røde linjen viser manuelt valgte segmenterings punkter
2. Global tekstur varians. Ulike tekstur målinger er kjent fra datamaskinen visjon generelt og spesielt fra medisinsk bildebehandling for formålet med automatisk segmentering, klassifisering eller innhold basert image gjenfinning [37, 38] kan.
Bilde tekstur beskrives som en måling av romlig organisering og fordeling av intensitet og /eller farge i et bilde. Innenfor disse ordningene og utdelinger variansen kan måles. For bilder i endoskopi kan dette være den globale kvantitative forskjellen i farge og /eller intensitet mellom vev av ulike histologiske eller patologisk natur og intensitet /farge avviket mellom disse vev områdene. Et bilde som viser høy tekstur er et bilde med en betydelig mengde skiller intensitet /fargevariasjon. Hvis samtidig bildet oppviser en høy varians mellom disse bilde regionene vi oversette dette til et bilde med høy varians tekstur. Chromoendoscopy mål å forbedre den globale tekstur variansen ved å markere vev områder på mageslimhinnen med ulike egenskaper så tydelig som mulig. En optimal fargestoff vil dermed maksimalt forbedre faktisk eksisterende forskjellige vev områder, og vil føre til høy varians i motsetning mellom disse forskjellige teksturer., En populær funksjon å beskrive konsistensen er den lokale binære mønster (LBP) [39]. Denne metoden har blitt mye brukt i medisinske bildebehandling og har blant andre varianter, er forlenget for å kvantifisere den globale tekstur variansen av et bilde [40]. Vi tildeler en numerisk poengsum v
en
r product: (R
, N
) g
som uformelt kan defineres som kontrasten variansen i bilde tekstur.
beregningen av v
en
r product: (R
, N
) g
er som følger: Det grunnleggende prinsippet om LBP er en diskret karakterisering av piksel nabolag . Hver piksel i et bilde er tildelt en verdi avhengig av hvordan den forholder seg til sine nabopiksler på sikt av intensitet. Nabolaget er vanligvis definert ved to parametre, som er antallet bildeelementer som tas i betraktning, og at avstanden mellom midt-bildeelementet og dets naboer. I lbp naboene er anordnet i en sirkel rundt en senterbildeelement, og dermed avstanden kan ganske enkelt definert av sirkelens radius. Hver piksel på denne kretsen er tilordnet verdien 0, hvis intensitet er lavere enn intensiteten til den sentrale pikselen, og verdien 1 hvis intensitetsverdien er større enn den til den sentrale pikselen. For en midt-bildeelementet med 8 naboer som resulterer for eksempel i en åtte-sifret binært tall som fører til det opprinnelige navnet på en lineær binært mønster. En binær LBP mønster på et senter piksel p
c
i posisjonen (c
x
, c
y
) med sin N
naboer piksler p
n
en radius R
kan derfor beskrives som LBP (
R
,
N
)
(
c
x
, etter c
y
)
=
Σ
i
=
1
N
b
(
p
n
(
i
)
-
p
c
x
, etter c
y
)
×
2
N
(
d
→

• Evaluering av POSSUM scoring system hos pasienter med magekreft gjennomgår D2-gastrectomy
• Visceralt fett endringer etter distal gastrektomi etter type rekonstruksjon prosedyre for mage cancer