С помощью косой падающий лазерный луч для измерения оптических свойств желудка слизистая оболочка /подслизистой ткани

С помощью косой падающий лазерный луч для измерения оптических свойств слизистой оболочки желудка /подслизистой ткани
Аннотация
Справочная информация
Цель исследования состоит в том, чтобы определить оптические свойства и их различия для нормальной слизистой оболочки желудка человека /подслизистой ткани в кардиального отверстия в пробирке
на 635, 730, 808, 890 и 980 нм длины волн
лазера. методы
измерения проводились с использованием детектора ПЗС, а также оптические свойства были оценены по результатам измерений с использованием пространственно ПОСТАНОВИЛИ отражательную способность и нелинейные подгонка уравнения диффузии.
Результаты
Результаты измерений показали, что коэффициенты поглощения, приведенные коэффициенты рассеяния, оптические глубины проникновения, коэффициенты диффузии, диффузного отражения и сдвиги диффузного отражения образцов ткани в пяти различных длин волн изменяются с изменением длины волны. Максимальный коэффициент поглощения для образцов ткани, составляет 0,265 мм -1 при 980 нм, а минимальный коэффициент поглощения 0,0332 мм -1 при 730 нм, а максимальная разность коэффициентов поглощения составляет 698% от 730 и 980 нм, а минимальная разница составляет 1,61% между 635 и 808 нм. Максимально уменьшенный коэффициент рассеяния для образцов ткани, составляет 1,19 мм -1 при 635 нм, а минимальный уменьшенный коэффициент рассеяния составляет 0,521 мм -1 при 980 нм, а максимальная разность приведенных коэффициентов рассеяния составляет 128% между 635 и 980 нм, а минимальная разница составляет 1,15% от 890 и 980 нм. Максимальная оптическая глубина проникновения для образцов ткани, составляет 3,57 мм при 808 нм, а минимальная глубина оптического проникновения составляет 1,43 мм при 980 нм. Максимальный коэффициент диффузии для образцов ткани составляет 0,608 мм при 890 нм, а минимальный коэффициент диффузии составляет 0,278 мм при 635 нм. Максимальный коэффициент диффузного отражения составляет 3,57 мм -1 при 808 нм, а минимальный коэффициент диффузного отражения составляет 1,43 мм -1 при 980 нм. Максимальный сдвиг диффузного? X коэффициент отражения 1.11 мм -1 при 890 нм, а также минимального сдвига диффузного? X коэффициент отражения 0,507 мм -1 при 635 нм.
Заключение
коэффициентов поглощения, приведенные коэффициенты рассеяния, оптические глубины проникновения, коэффициенты диффузии, диффузный коэффициент отражения и сдвиги диффузного отражения образцов ткани при 635, 730, 808, 890 и 980 нм длины волн изменяются с изменением длины волны. Были существенные различия в оптических свойствах образцов ткани в пяти различных длинах волн (P &
л; 0,01).
Фон
Знание оптических свойств для человеческого желудка тканей слизистой оболочки /подслизистой оболочки в видимой и ближней инфракрасной области спектра (NIR) диапазон длин волн имеет большое значение в медицине с помощью света [1, 2], например, лазерная коагуляция для лечения раннего рака желудка с intramucosal инвазии, лазерной абляции терапии подслизистом рака желудка [3], фотодинамическая терапия удаления ранних видов рака желудка [4], желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) диагностики с помощью стандартного белого света эндоскопии (WLE) и эндоскопической диагностики предраковых поражений желудочно-кишечного тракта с помощью флуоресцентной эндоскопии и спектроскопии [5-7], а также недавно разработанной оптической когерентной томографии (ОКТ) [8-10] сообщалось, что изображения ткани GI в пробирке и в естественных условиях [11-13]. Из-за более чем 85% всех случаев рака происходят в эпителии, выстилающих внутренние поверхности человеческого тела. Большинство таких поражений легко поддается лечению, если диагностируется на ранней стадии [14]. Помимо традиционных методов диагностики рака [15-17], существует необходимость в разработке новых подходов, которые являются простыми, объективными и неинвазивные.
Использование оптических методов для желудочно-кишечного тракта в диагностических целях зависит от технических возможностей для измерения оптической свойства ткани желудочно-кишечного тракта. В последние годы все большее группа исследователей была заинтересована в НЕИОНИЗИРУЮЩЕЕ, в ближней инфракрасной области (БИК) подходит для обнаружения и обработки изображений пораженных тканей. Предложенные методы варьируются от непрерывной волны [18, 19] в частотной области [20, 21] или во времени зависит измерения рассеянного света [22, 23]. Эти методы основаны на определении оптических свойств рассеивающих сред. Оптические свойства представлены коэффициента поглощения μ <югу> а, коэффициент рассеяния μ <югу> s и фактор анизотропии г. так как оптическое детектирование и оптических изображений основаны на селективных различий, существующих в оптических свойствах здоровых и патологических тканей, что особенно важно для диагностических целей. Например, лазер-индуцированной флуоресценции (LIAF) спектроскопии было установлено, что они являются многообещающим инструментом для ранней диагностики рака в желудочно-кишечного тракта, в том числе других органов [24, 25]. Следовательно ткани оптические свойства здорового и патологического человеческого желудочно-кишечной ткани имеют большое значение для медицинских применений в диагностике и терапии [26]. Мы ориентируемся в этой статье на оптические свойства нормального человеческого желудка слизистая /подслизистой ткани в кардиального отверстия в видимой и ближней инфракрасной области диапазона длин волн. Полученные результаты были проанализированы и сопоставлены с этих экспериментальных данных мы получили.
Теория
Мы используем простой два источника теории диффузии модель пространственно-разрешенной, стационарной диффузного отражения [27]. Когда свет входит в полубесконечная ткани, она, как правило, рассеивают несколько раз, прежде чем либо быть поглощенным или выхода на поверхность ткани в точке, отличной от его точки входа. Многократно рассеянный свет, который ускользает называется диффузного отражения. Ван и Жак считают, что и для нормального и наклонного падения, тем более точное выражение для длины пути от поверхности ткани к положительному точечного источника является то, что она была определена как 3D (D коэффициент диффузии), а не 1 мфу '( мфу 'является транспортным средней длины свободного пробега). Эти два случая были схематически в работе. [28]. Диффузный профиль отражения при наклонном падении центрируется о положении точечных источников, сдвиг, находя? X центра диффузного отражения относительно светового точки входа может быть измерено. нет Как и в случае нормального падения, модель теории диффузии, когда сдвигается? x, также согласуется с результатами Монте-Карло за пределами 1-2 мфу 'от центра диффузного отражения, что важно, чтобы повторить, уже не в точка входа, как показано в работе [28].. Модель двух источников, с глубиной 3D вместо 1 мфу ', дает следующее выражение [27, 28]: (1), который можно масштабировать произвольно, чтобы соответствовать относительный профиль отражательной способности, который не в абсолютных единицах. Где, μ <югу> эфф эффективный коэффициент затухания, определяется как (2) ρ
<югу> 1 и ρ
<югу> 2 расстояния от двух источников до точки интереса ( . точка сбора света; см [28]), и граничное условие входит в понятие а [28]: (3) где (4) (5) п <к югу> ткани является показатель преломления ткани, п <суб> окружающей среды является показатель преломления окружающей среды, а п <к югу> отн это относительный показатель преломления интерфейса тканевого воздуха. Лазерный луч падает наклонно на верхней поверхности образца ткани, где, θ <суб> ткань угол падения лазерного луча. D коэффициент диффузии, то можно вычислить из? X (6) где,? X есть расстояние между точкой падения света и видимого центра диффузного отражения. Согласно Lin и др [28] эта константа диффузии равна (7) с i <суб> s 'приведенный коэффициент рассеяния, т.е. μ <югу> s (1-г), μ <югу> а коэффициент поглощения. Оптические свойства, μ <югу> а и μ <суб> s 'были решены из выражений, а также выражения i <подразделам> а и μ <югу> s' представлены следующим образом (8) (9) Способ для определения оптических свойств ткани, μ <югу> а и μ <суб> s ', нужен образец относительного профиля диффузного отражения в известных позициях от световой точки входа, и нужно вычислить? x и D, и нужно выполнить нелинейного метода наименьших квадратов согласуется с методом Левенберга-Марквардт [29-31] на (1), чтобы определить, i <суб> эфф, а затем необходимо решить для i <подразделам> а и μ <суб> S 'из выражений. Метод был detailedly показано в работе [28]..
Методов
Подготовка проб
нормальных тканей человеческого слизистой оболочки желудка /подслизистой оболочки в кардиального отверстия были исследованы в этом исследовании. Образцы ткани были взяты из 12 нормальных человеческих желудков в кардиального отверстия были определены из гистологического исследования, сразу же после того, как иссечение тканей. Каждый образец удаляется желудок сразу же кратко промыть в солевом растворе, чтобы удалить поверхностные избыток крови и очищенные от поверхности жиры, помещали в бутылку с физиологическим раствором как можно скорее, и хранили в холодильнике при -70 ° С. Из образцов ткани в общей сложности 12 образцов нормальной слизистой оболочки желудка /подслизистой ткани, со средней толщиной (10,32 ± 0,26) мм, были использованы в течение не более 24 ч после извлекает. Толщина каждого образца измеряли и регистрировали с штангенциркулем с погрешностью 0,02 мм. Все образцы ткани, соответственно, вынимают из холодильника перед измерением, были размещены на экспериментальном столе при комнатной температуре 20 ° C в течение одного часа, после чего все образцы оттаивание ткани измеряли в свою очередь, с помощью косой падающего лазерного луча и ПЗС-камеры, соответственно.
измерения коэффициента отражения диффузных ткани
на рисунке 1 показана схема экспериментальной установки, которая используется для измерения относительного профиля диффузного отражения, а в таблице 1 приведена информация о источнике света на эксперименте. Образцы ткани были освещены светом от коллимированного 635, 730, 808, 890 и 980 нм, длина волны лазера, соответственно. Выход всех лазерного света были расширены расширитель пучка в 25 раз, а затем были ослаблены (к мощности не более 5 мВт) световыми аттенюаторов, и отражались от зеркал, пропускали через 2 мм обскура и 35,2 мм фокус линзы, а затем падает наклонно на верхней поверхности образца ткани слизистой оболочки желудка /подслизистой под углом 45 градусов между лазерными осью и нормалью к поверхности ткани (α <югу> I = 45 °), соответственно, , Небольшой кусочек прозрачной линейки (с миллиметровыми градаций) помещали на поверхность образца для шкалы, и определенная градация линейки была выровнена в центральной части точки падения лазерного луча, а выпускной обозначается как происхождение х-координат. Из верхней части образца образец отражательной способности можно наблюдать. Эта модель проецируется на 795 × 596 пикселей двухмерной прибор с зарядовой связью (CCD) детектором (Nikon, Прохладный Pix, 995, Япония). Падающий луч можно наблюдать, как наиболее интенсивной области в изображении. Поскольку лазерный луч был косо к поверхности картина отражения была асимметричной вблизи точки падения, но диффузного отражения далеко от источника, образованные концентрическими кругами, приблизительно, а расстояние между началом координаты х и центр концентрических окружностей расстояние? x, и центр концентрических окружностей также вычисляется. С расстояния? X коэффициент диффузии может быть вычислена с помощью (6), с D постоянной диффузии в мм, расстояние? X в мм. Этот тест состоял из повторяющихся десяти измерений раз отражательная способность, и измеренные результаты были воспроизводимыми для конкретного образца при определенной длине волны. Для каждого испытания положения пятна падающего света на поверхности образца были изменены, чтобы уменьшить влияние гетерогенности ткани на измерениях отражательной способности, и каждый тест на каждой длине волны лазера была выполнена в том же состоянии экспериментов, и экспозиция время была установлена ​​на уровне 800 мс. В общей сложности одиннадцать образцов тканей, были использованы для измерений в пробирке. Сбора данных CCD находились под контролем компьютера для этой цели. Обработка данных и анализ файлов данных были выполнены с использованием специального программного обеспечения, написанный на Matlab (Matlab, Mathworks Инкорпорейтед, Массачусетс) .table 1 видов, модель лазерного и выходной мощности с использованием источника света на опыте
источник света

модель

Мощность

635 нм длина волны лазерного диода
nLIGHT, США, модель NL-FBA-2.0-635 <бр> P ≤ 5 мВт
730 и 890 нм длины волн Ti: S кольцевой лазер
когерентным, США, модель 899-05
P ≤ 5 мВт
808 нм длина волны лазерного диода
nLIGHT , США, модель NL-FCA-20-808
P ≤ 5 мВт
980 нм длина волны лазерного диода
nLIGHT, США, модель NL-FCA-30-980
P ≤ 5 мВт
Рисунок 1 Принципиальная схема экспериментальной установки, который используется для измерения коэффициента диффузии и распределения диффузного отражения света.
Статистический анализ
оптических параметров образцов биологических тканей были выражены как среднее ± стандартное отклонение, были продемонстрированы с помощью Стьюдента
-теста, и считались значимыми при р значениях
&ЛТ; 0.01. SPSS10 использовали для статистического анализа.
Результаты
Оптические свойства выражены как среднее ± стандартное отклонение для всех измерений для образцов. На рисунках 2, 3, 4, 5, 6 и 7 присутствует зависимость от длины волны коэффициентов поглощения, приведенные коэффициенты рассеяния, оптические глубины проникновения, коэффициенты диффузии, диффузного отражения и сдвиги диффузного отражения для нормального желудка слизистая /подслизистой тканей в кардиального отверстия в пяти различных длинах волн лазера соответственно. Вертикальные линии соответствуют значениям стандартного отклонения (SD), которая определяется с помощью Стьюдента
-теста, и столбики ошибок появляются на 635, 730, 808, 890 и 980 нм длины волны лазера для ясности и представляют собой одну стандартное отклонение в i <югу> а, μ <югу> s ', δ, D, R <суб> ∞ и значения? x. Рисунок 2 Длина волны зависимость коэффициентов поглощения мкА нормальных тканей желудка слизистая /подслизистой основы в кардиального отверстия. Пустые точки соответствуют усредненные коэффициенты поглощения и вертикальные линии показывают значения SD.
Рисунок 3 Длина волны зависимость приведенных коэффициентов рассеяния μ S 'нормальных тканей слизистой оболочки желудка /подслизистой оболочки в кардиального отверстия. Пустые точки соответствуют усредненным приведенных коэффициентов рассеяния и вертикальные линии показывают значения SD. Рисунок 4
Оптические глубины проникновения б нормальных тканей слизистой оболочки желудка /подслизистой оболочки в кардиального отверстия при 635, 730, 808, 890 и 980 нм. Пустые точки соответствуют средней глубины проникновения оптического и вертикальные линии показывают значения SD.
Рисунок 5 Коэффициенты диффузии D света в нормальных тканях слизистой оболочки желудка /подслизистой оболочки в кардиального отверстия при 635, 730, 808, 890 и 980 нм. Пустые точки соответствуют средним коэффициентов диффузии и вертикальные линии показывают значения SD.
Рисунок 6 диффузного отражения R ∞ нормальных тканей слизистой оболочки желудка /подслизистой оболочки в кардиального отверстия в 635, 730, 808, 890 и 980 нм , Пустые точки соответствуют среднему диффузного отражения и вертикальные линии показывают значения SD.
Рисунок 7 Сдвиг диффузного? X отражательной способности нормальных тканей слизистой оболочки желудка /подслизистой оболочки в кардиального отверстия при 635, 730, 808, 890 и 980 нм. Пустые точки соответствуют среднему сдвигу диффузного? X отражательной и вертикальные линии показывают значения SD.
Обсуждение
оптических свойств биологической ткани зависит от ее биохимического состава и его клеточном и субклеточном структуру. В видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, поглощающие свойства связаны с концентрацией хромофоров, таких как оксигемоглобина и дезоксигемоглобином, жира и воды [32]. Такие хромофоры значительно меняться в зависимости от ткани метаболизма [33]. Рассеивающие свойства связаны с распределением по размеру клеток и органелл, которые являются параметрами, используемыми для дифференциации нормальное от ненормального тканей в стандартной гистопатологией [34]. Поэтому оптические измерения имеют большой потенциал для развития неинвазивных в естественных условиях
медицинских диагностических инструментов, которые часто называют "оптической биопсии". Такие методы должны существенно повысить эффективность биопсий или помочь в определении краев опухоли в хирургическом поле. По нашим экспериментальным данным, коэффициенты поглощения, снижение коэффициентов рассеяния, оптические глубины проникновения, коэффициентов диффузии, диффузного отражения и смещений диффузного отражения для нормальных тканей слизистой оболочки желудка /подслизистой оболочки в кардиального отверстия при 635, 730, 808 , 890 и 980 нм, определяли в пробирке. В нашем исследовании, интересно отметить, оптические свойства, измеренные и их различия для образцов ткани в пяти различных лазерных длинах волн. Мы считаем, что оптические свойства должны помочь патологической диагностики и лечения злокачественной или предраковые слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта с легкостью с помощью оптических методов.
Рисунках 2 и 3 показаны коэффициенты поглощения и приведенные коэффициенты рассеяния образцов ткани в пяти различных лазерных длины волн, соответственно. Из рисунка 2 и на фиг.3, можно видеть, что коэффициенты поглощения для образцов ткани, возрастают с увеличением лазерных длин волн, для коэффициента поглощения при 730 нм, за исключением того, и приведенные коэффициенты рассеяния для образцов тканей, уменьшаются с увеличением лазерных длин волн , Были существенные различия в коэффициентах поглощения при пяти различных лазерных длинах волн (P &
ЛТ; 0,01). Максимальные и минимальные коэффициенты поглощения являются 0,265 мм -1 при 980 нм и 0.0332 мм -1 при 730 нм, соответственно. Максимальные и минимальные различия коэффициентов поглощения 698% между 730 и 980 нм и 1,61% между 635 и 808 нм соответственно. Там также значительные различия в приведенных коэффициентов рассеяния на пяти различных лазерных длинах волн (P &
л; 0,01). Максимальные и минимальные приведенные коэффициенты рассеяния являются 1,19 мм -1 при 635 нм и 0,521 мм -1 при длине волны 980 нм, соответственно. Максимальные и минимальные различия приведенных коэффициентов рассеяния являются 128% между 635 и 980 нм и 1,15% в период между 890 и 980 нм, соответственно.
На рисунке 4 показано, что оптические глубины проникновения для образцов ткани изменяются с увеличением лазера длины волн. Были существенные различия в глубине проникновения оптических в пяти различных лазерных длинах волн (P &
ЛТ; 0,01). Максимальные и минимальные глубины проникновения оптические являются 3,57 мм при 808 нм и 1,43 мм при длине волны 980 нм, соответственно. Максимальные и минимальные различия глубины проникновения оптических составляют 150% от 808 и 980 нм и 5,36% между 730 и 890 нм, соответственно. Из фиг.5 можно видеть, что коэффициенты диффузии образцов ткани, изменяется в зависимости от увеличения лазерных длин волн. Там также значительные различия в коэффициентах диффузии в пяти различных лазерных длинах волн (P &
ЛТ; 0,01). Максимальные и минимальные коэффициенты диффузии 0,608 мм -1 при 890 нм и 0,278 мм -1 при 635 нм, соответственно. Максимальные и минимальные различия коэффициентов диффузии являются 119% между 635 и 890 нм и 12,0% в период между 890 и 980 нм соответственно. На рисунке 6 показано, что коэффициент диффузного отражения для образцов ткани, уменьшается с увеличением лазерных длин волн. Были существенные различия в диффузного отражения в пяти различных лазерных длинах волн (P &
ЛТ; 0,01). Максимальный и минимальный коэффициент диффузного отражения являются 0,456 при 635 нм и 0.0732 при 980 нм, соответственно. Максимальные и минимальные отличия диффузного отражения являются 523% между 635 и 980 нм и 7,29% между 635 и 730 нм соответственно. На диаграмме 7 видно, что сдвиг диффузного? X отражательной способности для образцов ткани, изменяется в зависимости от увеличения лазерных длин волн. Там также значительные различия в сдвиге диффузного? X отражения в пяти различных лазерных длинах волн (P &
ЛТ; 0,01). Максимальный и минимальный сдвиг? X диффузного отражения являются 1,11 мм при 890 нм и 0,507 мм при 635 нм, соответственно. Максимальные и минимальные отличия сдвига диффузного? X отражательной способности являются 119% между 635 и 890 нм и 11,7% между 890 и 980 нм соответственно.
Существуют значительные различия в оптических свойствах образцов ткани между различными длинами волн лазера (Р
≪ 0,01). Башкатов, и др. [35] и Holmer и др. [36] сообщили, оптические свойства желудочной ткани различными методами оптических измерений, наши данные о том, что длина волны зависимость коэффициента поглощения, приведенного коэффициента рассеяния и глубины оптического проникновения слизистой оболочки стенки желудка человека очень похожи, чтобы сравнить данные Башкатов и др. и Holmer и др. с нашими данными в спектральном диапазоне от 600 до 1000 нм.
Заключение
В заключение, приведенные здесь результаты показывают, что различия в оптических свойствах, а именно, коэффициенты поглощения, приведенные коэффициенты рассеяния, оптические глубины проникновения , коэффициенты диффузии, диффузного отражения и сдвиги диффузного отражения для нормального желудка тканей слизистой оболочки /подслизистой оболочки в кардиального отверстия при 635, 730, 808, 890 и 980 нм имеют большое значение в пробирке (P &
л; 0,01), и потенциал и перспективы использования косой падающего лазерного луча для измерения оптических свойств ткани для клинических исследований. Ткани различных патологий имеют различные свойства оптических ткани и тканей разных мест для нормальных человеческих желудков имеют различные свойства оптических ткани [2]. Предварительные результаты, представленные могут быть использованы для разработки оптических технологий и может быть полезным в ранней диагностике, фотодинамической терапии и фототермической в ​​желудочно-кишечном тракте
Сокращения
БИК:.
Ближней инфракрасной области


GI:
желудочно-кишечного тракта


WLE:
белого света эндоскопии


октябре: <бр> оптической когерентной томографии


LIAF:
лазер-индуцированной аутофлуоресценция


мфу ':
транспорта средняя длина свободного пробега


D:
коэффициента диффузии


SD: стандартное отклонение



декларациях <бр> Благодарности
авторы хотели бы отметить Национальный фонд естественных наук Китая (Номер 30470494; 30627003), а фонд естественных наук провинции Гуандун (пункт номер 7117865) за поддержку этой работы.
Авторов оригинальные представленные файлы для изображений изображения Ниже приведены ссылки на авторов оригинальных представленных файлов для изображений. 'Исходный файл для фигурного 1 12876_2008_356_MOESM2_ESM.pdf Авторского 12876_2008_356_MOESM1_ESM.pdf авторов исходного файла для фигурного 2 12876_2008_356_MOESM3_ESM.pdf Авторского исходного файла для фигурного 3 12876_2008_356_MOESM4_ESM.pdf авторов исходного файла для фигурного 4 исходного файла 12876_2008_356_MOESM5_ESM.pdf Авторского на рисунке 5 "исходный файл для фигурного 6 12876_2008_356_MOESM7_ESM.pdf Авторского 12876_2008_356_MOESM6_ESM.pdf авторов исходного файла для фигурного 7 конкурирующими интересами
авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

• Паллиативная дистальная резекция не дает никакой пользы для выживания над гастроэнтероанастомоз для рака же…
• Резекция дистального рака желудка трубки с биопсией сторожевого узла: клинический случай и обзор literature