uporabo poševni incident laserskega žarka za merjenje optičnih lastnosti želodčne sluznice /submucosa tkiva
Abstract
Ozadje
Namen študije je določiti optične lastnosti in njihovih razlik za normalne človeške želodčne sluznice /submucosa tkiva v srca odprtino in vitro
na 635, 730, 808, 890 in 980 nm valovne dolžine laserja.
metod
meritev bile opravljene s pomočjo detektorja CCD in optične lastnosti so bile ocenjene iz meritev s prostorsko rešiti odboj in nelinearno vgradnji difuzijsko enačbo.
rezultati
rezultatov meritev je pokazala, da so absorpcijski koeficienti, znižane razpršilno koeficienti , optični penetracijo globine, so difuzijski koeficienti, sta razpršenost odbojnosti in pomiki difuzni odbojnosti tkivnih vzorcev na petih različnih valovnih dolžinah spreminja s spremembo valovne dolžine. Največja absorpcijski koeficient za vzorce tkiva je 0,265 mm
-1 pri 980 nm, in najmanjše absorpcijski koeficient 0,0332 mm 1 pri 730 nm, in največje razlike v absorpcijskih koeficientov med 730 698% in 980 nm, in je najmanjša razlika med 635 in 808 nm 1,61%. Največja zmanjša sipanje koeficient vzorcev tkiv, je 1.19 mm 1 pri 635 nm, in minimalno zniža sipanja koeficienta je 0.521 mm 1 pri 980 nm, in največjo razliko v nižjih disperzije koeficientov je 128% med 635 in 980 nm, in minimalno razliko med 890 in 980 nm 1,15%. Največja optična globina vdiranja za vzorce tkiva je 3,57 mm pri 808 nm in najmanjša optična globina penetracije je 1,43 mm pri 980 nm. Največja difuzijska konstanta vzorcev tkiv, je 0.608 mm pri 890 nm, in najmanjše difuzijska konstanta je 0,278 mm pri 635 nm. Največja difuzni odboj je 3,57 mm -1 pri 808 nm, in najmanjše difuzna odbojnost 1.43 mm 1 pri 980 nm. Največja premik Δx razpršenega odbojnosti je 1,11 mm 1 pri 890 nm, in minimalni premik Δx razpršenega odbojnost je 0,507 mm 1 pri 635 nm.
Zaključek
absorpcijskih koeficientov, znižane razpršilno koeficienti, optični penetracijo globine, so difuzijski koeficienti, sta razpršenost odbojnosti in pomiki difuzni odbojnosti vzorcev tkiva na 635, 730, 808, 890 in 980 nm valovne dolžine spreminja s spremembo valovne dolžine. So bile razlike v optičnih lastnosti za tkivnih vzorcev na petih različnih valovnih dolžinah (P
< 0,01).
Ozadje
Poznavanje optičnih lastnosti za človeške želodčne sluznice /submucosa tkiva v vidni in blizu infrardečega (NIR) območje valovnih dolžin je zelo pomembna za medicinsko uporabo s pomočjo svetlobe [1, 2], na primer, laserski koagulacijskega za zdravljenje zgodnjega raka želodca z intramucosal invazije, lasersko ablacijo zdravljenju raka želodca Submukozno [3], fotodinamično ablacijo zdravljenje zgodnjih raka na želodcu [4], gastrointestinalne (GI) diagnoze, ki jih standardno belo svetlobo endoskopijo (WLE) in endoskopsko diagnostiko predrakavih lezij prebavilih po fluorescence endoskopske slikanja in spektroskopije [5-7], in v zadnjem času razvil optični skladnost tomografija (oktober) [8-10] poročali so, da podobe na prebavilih tkiva in vitro in in vivo [11-13]. Zaradi več kot 85% vseh rakov izvirajo iz epitela oblaganje notranje površine človeškega telesa. Večina takšnih poškodb, so lahko ozdravljive, če diagnosticirana v zgodnjem stanju [14]. Poleg običajnih diagnostičnih metod za odkrivanje raka [15-17], je treba razviti nove pristope, ki so preprosti, objektivni in neinvazivna.
Uporaba optičnih tehnik prebavil diagnostične namene temelji na sposobnosti za merjenje optične lastnosti prebavilih tkiva. V zadnjih letih je vse večja skupina raziskovalcev že zanima Neionizirna, v bližini infrardeče (NIR) pristopov za odkrivanje in slikanje obolelega tkiva. Predlagane metode v razponu od trajnim valovanjem [18, 19] s frekvenčnim-domeno [20, 21] ali meritev časovno odvisna od razpršene svetlobe [22, 23]. Te tehnike temeljijo na določanje optičnih lastnosti sipanje medijev. Optične lastnosti predstavlja absorpcijski koeficient μ A sipanje koeficient μ y in anizotropije faktor g. saj so optični odkrivanje in optično slikanje osnovi selektivnih razlik v optičnih lastnosti zdravih in patoloških tkivih, je še posebej pomembno za diagnostične namene. Na primer, je bilo ugotovljeno, da je obetavno orodje za zgodnjo diagnostiko raka na prebavilih, vključno z drugimi organi [24, 25] Laser inducirane avtofluorescenco (LIAF) spektroskopija. Zato tkiva optične lastnosti zdravega in patološke prebavnem tkiva človeškega zdravja, so pomembni za medicinsko uporabo v diagnostiki in zdravljenju [26]. Osredotočeni smo v tem prispevku na optične lastnosti normalne človeške želodčne sluznice /submucosa tkiva v srca odprtine na vidni in bližnji infrardeči valovnih dolžinah. Rezultate smo analizirali in primerjali od teh eksperimentalnih podatkov smo jih prejeli.
Theory
Mi uporabljamo preprost dva vira teorijo difuzije model prostorsko rešena, stacionarnega difuzni odbojnosti [27]. Ko svetloba vstopi v semi-neskončno tkivo, bo na splošno razprši večkrat, preden bodisi absorbira ali uhaja površine tkiva na razen svoje vstopne točke točke. Pomnoževanja razpršena svetloba, ki uhaja, se imenuje razpršena odbojnost. Wang in Jacques menijo, da je bolj natančen izraz za dolžino poti od površine tkiva na pozitivni točki vira je tako normalno in poševno pojavnosti, kar je bilo opredeljeno kot 3D (D je difuzijski koeficient) namesto 1 MFP '( MFP "je prevoz pomeni prosto pot). Ta dva primera sta bila grafično predstavljeno v Ref. [28]. Sta razpršenost odbojnosti Profil poševnim incidence se centrira glede na položaj točkovnih virov, lahko premik Δx z iskanjem središče difuzno odbojne glede na svetlobne vstopne točke je treba meriti. Kot velja za normalno incidence, model teorija difuzije, ko se premakne za Δx, prav tako strinja z rezultati Monte Carlo zunaj 1-2 MFP "iz centra difuzno odbojnost, ki je, da je pomembno, da se potrdi, da je ni več vstopna točka, kot je prikazano v Ref. [28]. model dva vira, z globino 3D namesto 1 MFP "daje naslednjo izraz [27, 28]: (1), ki jih je mogoče zmanjšati poljubno da se prilega relativno odsevnosti profil, ki ni v absolutnih enotah. Kadar je μ eff dejanska slabljenje koeficient, ki je opredeljen kot (2) ρ
1 in ρ
2 so razdalje iz dveh virov do točke obresti ( . točka svetlobe zbiranja; glej Ref [28]) in robni pogoj vključuje izraz A [28]: (3) kjer je (4) (5) n tkivo je refrakcijski indeks tkiva n okolice je lomni količnik od okolice, in n rel je relativna lomni količnik tkiva zraka vmesnika. Laserski žarek je poševno nezgoda na zgornji ploskvi vzorca tkiva, pri čemer θ tkivo je vpadni kot laserskega žarka. D je difuzijski koeficient, se lahko izračuna iz Δx (6), kjer je Δx je razdalja med točko svetlobnega pojavnosti in navidezno središče difuzno odbojnost. Po Lin et al [28] To difuzijska konstanta enaka (7) s | j y 'zmanjšano sipanje koeficient, tj μ y (1-g), μ je absorpcijski koeficient. Optične lastnosti, μ A in μ s 'so bile rešene od izrazov, in izrazi | j A in μ s' so prikazani takole (8) (9) Pri metodi ugotoviti tkiv optične lastnosti, μ A in μ s ', je treba vzorec relativno profil difuzna odsevnosti na znanih mestih z lahkim vstopne točke, in je treba izračunati Δx in D, in jih izvedite nelinearnih najmanjših kvadratov ujema z metodo Levenberg-Marquardt [29-31] o (1), | j eff ugotoviti, nato pa je treba rešiti za | j A in μ s 'iz izrazov. Metoda je bila je podrobno prikazan v Ref. [28].
Metod
Priprava vzorca
normalne človeške želodčne sluznice /submucosa tkivih srčnega odprtino so raziskovali v tej študiji. Vzorce tkiva so bili odvzeti iz 12 normalne človeške želodcev v srčnem odprtino bili določeni s histološko preiskavo, takoj po izrezu tkiva. Vsak odstranili želodec vzorec je bil takoj na kratko speremo v fiziološki raztopini, da odstranimo površinske odvečno kri in odlepimo površinske maščobe, damo v steklenico s fiziološko raztopino, takoj, ko je to mogoče, in je bila shranjena v hladilniku pri -70 ° C. Iz vzorcev tkiva skupno 12 normalnih vzorcev želodčne sluznice /submucosa tkiva, s povprečno debelino (10,32 ± 0,26) mm, so bile uporabljene v največ 24 urah po odstranitvi. Debelina vsakega vzorca smo izmerili in zabeležili s šestilom Vernier z napako 0,02 mm. Vse vzorce tkiva sta bila vzeto iz hladilnika pred meritvijo smo namestili na eksperimentalni mizi pri sobni temperaturi 20 ° C eno uro, nato pa smo izmerili vsi vzorci tajanje tkiva izmenično uporabo poševen vpadni laserski žarek in CCD kamero oz.
meritve razpršenih odbojnosti tkiva
Slika 1 prikazuje shemo poskusnega nastavitev, ki se uporablja za merjenje relativne profila difuzno odbojnost, in tabela 1 prikazuje podatke o viru svetlobe na eksperiment. Vzorci tkiva so osvetljeni z vzporednih svetlobe od 635, 730, 808, 890 in 980 nm valovne dolžine laserja oz. Proizvodnja vseh laserske svetlobe smo razširili z ekspanderja pramen 25-krat, nato pa so bili oslabljeni (na potenco največ 5 mW) s svetlobno dušilniki, in so se odraža ogledala, smo spustili skozi luknjico 2 mm in 35,2 mm poudarek leče, in nato poševno vpada na zgornji ploskvi vzorca tkiva želodčne sluznice /submucosa pri 45 stopinjskim kotom med laserskih os in normalno na površino tkiva (α i = 45 °), vsakokrat . Majhen del transparentnega ravnilom (s milimetrskih stopnjevanje) damo na površino vzorca v obsegu in neka stopnjevanje ravnila je izravnana na sredinski del točke pojavnosti laserskega žarka in gradacije se označi kot izvor x-koordinato. Z vrha vzorca lahko opazimo odbojnosti vzorec. Ta vzorec je posnel na 795 x 596 slikovnih pik dvodimenzionalna Charge Coupled Device (CCD) detektorjem (Nikon, Cool PIX, 995, Japonska). Incident žarek lahko opazimo kot najbolj intenzivno območja na sliki. Ker je laserski žarek poševni površini odbojnost vzorec je asimetričen v bližini točke pojavnosti, vendar difuzna odbojnost daleč od vira oblikovani koncentrični krogi, približno in razdalja med izvora x koordinatnega in središče koncentrični krogi je razdalja Δx in središče koncentričnih krogih se izračuna tako. Od razdalji Δx se nenehno širjenje lahko izračuna z uporabo (6), kjer je D difuzijska konstanta v mm, Δx razdalja v mm. Ta test je sestavljalo ponavljanje deset krat odbojnost meritve, izmerjene rezultate smo lahko ponovno za določen vzorec na specifične valovne dolžine. Za vsak test so spremenjeni položaji mestu vpadne svetlobe na površini vzorca za zmanjšanje učinka heterogenosti tkiva na meritev odsevnosti, in vsaka testna na vsakega laserskega valovni dolžini smo izvedli v istem stanju eksperimentiranja in izpostavljenost čas je nastavljen na 800 ms. Skupno enajst vzorcev tkiva smo uporabili za meritve in vitro. Pridobivanje podatkov CCD smo kontrolirali z računalnikom za ta namen. Obdelava podatkov in analiza podatkovnih zbirkah so bile izvedene z uporabo programske opreme po meri napisana v Matlabu (Matlab, MATHWORKS Incorporated, Massachusetts) .table 1 vrste, modela lasersko in izhodno močjo uporabo svetlobnega vira o poskusu
Svetlobni vir
model
Moč
635 nm valovne dolžine diode laser
nLIGHT, ZDA, model, NL-FBA-2,0-635
P ≤ 5 mW
730 in 890 nm valovne dolžine Ti: S obroč laser
USKLAJENO, ZDA, model 899-05
P ≤ 5 mW
808 nm valovne dolžine diode laser
nLIGHT , ZDA, model, NL-FCA-20-808
P ≤ 5 mW
980 nm valovne dolžine diode laser
nLIGHT, ZDA, model, NL-FCA-30-980
P ≤ 5 mW
Slika 1: Shematski prikaz postavitve preskusa, ki se uporablja za merjenje konstante difuzijo in distribucijo difuzni odboj svetlobe.
Statistična analiza
optičnih parametrov vzorcev bioloških tkiv so izražene kot povprečje ± SD, so dokazali s Student t
-test, in so bile upoštevane značilne pri p
vrednot < 0.01. SPSS10 je za statistično analizo, ki se uporabljajo.
Rezultati
optičnih lastnosti so izražene kot povprečje ± SD za vse meritve za vzorce. Sliki 2, 3, 4, 5, 6 in 7 prisotna odvisnost valovne dolžine absorpcijskih koeficientov, znižane sipanja koeficienti, optični penetracijo globine, difuzijska koeficienta je razpršena odbojnost in pomiki difuzni odbojnosti za normalno želodčno sluznico /submucosa tkiva v srca odprtino na petih različnih valovnih dolžin laserja, v tem zaporedju. Navpične črte ustrezajo vrednosti standardne deviacije (SD), ki je določena s Student t
-test in napak palice pojavijo na 635, 730, 808, 890 in 980 nm valovne dolžine laserja zaradi jasnosti in predstavljajo eno standardni odklon v | j A, μ s ', δ, D, R ∞ in vrednosti Δx. Slika 2 Odvisnost valovna dolžina absorpcijskih koeficientov | j a člena normalnih želodčne sluznice /submucosa tkiv v srca odprtino. Slepi pike ustrezajo v povprečju absorpcijski koeficienti in navpične črte prikazujejo vrednosti SD.
Slika 3 odvisnosti od valovne dolžine znižanih disperzije koeficientov μ S 'normalnih želodčne sluznice /submucosa tkiv v srca odprtino. Slepi pike ustrezajo povprečnih nižjih razpršitev koeficientov in navpične črte prikazujejo vrednosti SD.
Slika 4: optične prodirajo v globinah Í normalnih želodčne sluznice /submucosa tkiva v srca odprtino na 635, 730, 808, 890 in 980 nm. Slepi pike ustrezajo povprečnih optičnih priključkov globine in navpične črte prikazujejo vrednosti SD.
Slika 5 difuzijski koeficient D svetlobe v normalnih želodčne sluznice /submucosa tkiva v srca odprtino na 635, 730, 808, 890 in 980 nm. Slepi pike ustrezajo povprečnih difuzijskih koeficientov in navpične črte prikazujejo vrednosti SD.
Slika 6 razpršeno odbojnost R ∞ normalnih želodčne sluznice /submucosa tkiva v srca odprtino na 635, 730, 808, 890 in 980 nm . Slepi pike enak povprečnemu razpršenega odbojnosti in navpične črte prikazujejo vrednosti SD.
Slika 7 premik Δx za difuzno odbojnost normalnih želodčne sluznice /submucosa tkiv v srca odprtino na 635, 730, 808, 890 in 980 nm. Prazni pike ustreza povprečni premik Δx razpršenega odbojnost in navpične črte kažejo vrednosti SD.
Razprava
optične lastnosti biološkem tkivu odvisni od njene biokemijske sestave in njene celične in subcelično strukturo. V vidnem in skoraj infrardečem območju, so lastnosti absorpcije povezan s koncentracijo kromofori, kot oksihemoglobina in deoxyhemoglobin, maščobe in vode [32]. Takšne kromofore močno razlikujejo metabolizem tkiva [33]. Sipanja lastnosti so povezane s porazdelitvijo velikosti celice in organele, ki so parametri, ki se uporabljajo za razlikovanje normalno iz nenormalnih tkivih v standardnem histopatologijo [34]. Zato optične meritve imajo velik potencial za razvoj neinvazivnih vivo
medicinskih diagnostičnih orodij, ki se pogosto imenuje "optična biopsija". Take tehnike bi morali bistveno izboljšati učinkovitost biopsije ali pomoč pri določanju meje tumorja na kirurškem področju. Po naših eksperimentalnih podatkov, absorpcijskih koeficientov, na zmanjša sipanje koeficienti, optičnih priključkov globin, difuzijskih koeficientov, difuzne odbojnosti in premiki difuzni odbojnosti za normalne želodčne sluznice /submucosa tkivih srčnega odprtino na 635, 730, 808 so 890 in 980 nm določeno in vitro. V naši raziskavi, je zanimivo, da so optične lastnosti izmerjene in njihove različnosti za vzorce tkiva na petih različnih laserskih valovnih dolžinah. Prepričani smo, da so optične lastnosti naj bi pomagalo patološko diagnozo in zdravljenje malignega ali predrakave spremembe na sluznici prebavil v obraz s pomočjo optičnih metod.
Sliki 2 in 3 prikazujeta absorpcijske koeficiente in zmanjšane sipanje koeficientov tkivnih vzorcev na petih različnih laserjem valovne dolžine oz. Iz Sliki 2 in 3, lahko vidimo, da so absorpcijski koeficient za vzorce tkiva poveča s povečanjem laserskih valovnih dolžin, razen absorpcijski koeficient pri 730 nm, in znižane razpršilno koeficienti za vzorce tkiva zmanjša s povečanjem laserskih valovnih dolžin . So bile razlike v absorpcijskih koeficientov na petih različnih laserskih valovnih dolžinah (P
< 0,01). Največje in najmanjše absorpcijski koeficienti so 0,265 mm 1 pri 980 nm in 0.0332 mm 1 pri 730 nm, v tem zaporedju. Največje in najmanjše razlike koeficientov absorpcije so med 730 in 980 nm in 1,61%, med 635 in 808 nm, oziroma 698%. Prav tako so pomembne razlike v nižjih disperzije koeficientov na petih različnih laser valovne dolžine (P
< 0,01). Najvišja in najnižja zmanjša sipanje koeficienti so 1,19 mm 1 pri 635 nm in 0.521 mm -1 pri 980 nm, v tem zaporedju. Največje in najmanjše razlike v nižjih disperzije koeficienti so med 635 in 980 nm in 1,15% med 890 in 980 nm za 128%, v tem zaporedju.
Slika 4 kaže, da so optični penetracijo globine za vzorce tkiva spreminja s povečanjem laserja valovne dolžine. So bile razlike v optičnih priključkov globinah na petih različnih laserskih valovnih dolžinah (P
< 0,01). Največje in najmanjše optični penetracijo globine so 3,57 mm pri 808 nm in 1,43 mm pri 980 nm, v tem zaporedju. Največje in najmanjše razlike optičnih priključkov globinah so med 808 in 980 nm in 5,36%, med 730 in 890 nm, oziroma 150%. Iz slike 5, lahko vidimo, da so difuzijske koeficiente za vzorce tkiva spreminja s povečanjem laserskih valovnih dolžin. Prav tako so pomembne razlike v difuzijskih koeficientov na petih različnih laserskih valovnih dolžinah (P
< 0,01). Največje in najmanjše difuzijski koeficienti 0.608 mm 1 pri 890 nm in 0,278 mm 1 pri 635 nm, v tem zaporedju. Največje in najmanjše razlike difuzijskih koeficientov so med 635 in 890 nm in 12,0% med 890 in 980 nm, oziroma 119%. Slika 6 kaže, da je difuzna odbojnost pri vzorcih tkiv zmanjša s povečanjem laserskih valovnih dolžin. Obstajajo pomembne razlike v difuzni odbojnosti v petih različnih laserskih valovnih dolžinah (P
< 0,01). Najvišja in najnižja difuzna odbojnost je 0.456 na 635 nm in 0.0732 pri 980 nm, v tem zaporedju. Največje in najmanjše razlike v difuzni odbojnosti so med 635 in 980 nm in 7,29%, med 635 in 730 nm, oziroma 523%. Iz slike 7, lahko vidimo, da je premik Δx razpršenega odbojnosti pri vzorcih tkiv spreminja s povečanjem laserskih valovnih dolžin. Prišlo je tudi do bistvenih razlik v premik Δx razpršenih odbojnost na petih različnih laserskih valovnih dolžinah (P
< 0,01). Najvišja in najnižja premik Δx razpršenega odbojnosti so 1.11 mm pri 890 nm in 0.507 mm pri 635 nm, v tem zaporedju. Največje in najmanjše razlike premik Δx razpršenih odbojnost so 119% med 635 in 890 nm in 11,7% med 890 in 980 nm, v tem zaporedju.
Obstajajo pomembne razlike v optičnih lastnosti vzorcev tkiva med različnimi valovnimi dolžinami laserja (P
< 0,01). Bashkatov, et al., [35] in Holmer et al. [36] so poročali optične lastnosti želodčnega tkiva z različnimi optičnimi merilnimi metodami, naših podatkih, da odvisnost valovne dolžine absorpcijskega koeficienta, zmanjšanega sipanja koeficienta ter optično globino prodiranja humane želodčne sluznice stene so zelo podobni za primerjavo podatkov Bashkatov et al. in Holmer sod. z našimi podatki v spektralnem območju od 600 do 1000 nm.
Zaključek
Skratka, rezultati tukaj, o katerih so poročali, kažejo, da razlike v optičnih lastnosti, in sicer so absorpcijski koeficienti, znižane razpršilno koeficienti, optični penetracijo globine so difuzijski koeficienti, sta razpršenost odbojnosti in pomiki difuzni odbojnosti za normalno želodčne sluznice /submucosa tkiva v srca odprtino na 635, 730, 808, 890 in 980 nm so pomembni in vitro (P
< 0,01), in potencial in obljubo uporabo poševni incident laserskega žarka za merjenje optičnih lastnosti tkiva za klinične študije. Tkiva različnih patologij imajo različne optične lastnosti tkiva in tkiva različnih mestih za normalne človeške želodce imajo različne optične lastnosti tkiva [2]. Predhodni rezultati predstavljeni se lahko uporablja za razvoj optičnih tehnologij in je lahko koristno pri prejšnji diagnozo, fotodinamične in fototermičnim terapije v prebavnem traktu
Kratice
NIR.
Blizu infrardečega
GI:
prebavil
WLE:
bele svetlobe endoskopijo
oktober:
optični skladnost tomografija
LIAF:
lasersko inducirane avtofluorescenco
MFP ":
prevoz pomeni prosto pot
D:
koeficientom difuzije
SD:
standardnim odklonom
izjav
Priznanja
avtorjev želi priznati National Natural Science Foundation Kitajske (postavka številka 30470494; 30627003), in naravoslovni fundacija province Guangdong (postavka številka 7117865), za podporo to delo.
Avtorjev originalnih predloženi datoteke za slike
Spodaj so povezave do avtorjev izvirnih predloženih spisov za slike. "Izvirno datoteko na sliki 1 12876_2008_356_MOESM2_ESM.pdf avtorjev 12876_2008_356_MOESM1_ESM.pdf avtorjev prvotni datoteki številka 2 12876_2008_356_MOESM3_ESM.pdf avtorjev prvotne datoteke za sliko 3 12876_2008_356_MOESM4_ESM.pdf avtorjev izvorne datoteke za sliko 4 12876_2008_356_MOESM5_ESM.pdf avtorjev prvotni datoteki sliki 5 "izvirno datoteko na sliki 6 12876_2008_356_MOESM7_ESM.pdf avtorjev 12876_2008_356_MOESM6_ESM.pdf avtorjev prvotni datoteki številka 7 nasprotujočimi si interesi
Avtorji izjavljajo, da nimajo konkurenčnih interesov.