Chromoendoscopy i magnetiskt styrd kapsel endoskopi

Chromoendoscopy i magnetiskt styrd kapsel endoskopi Bild Sammanfattning
Bakgrund
Diagnos av intestinal metaplasi och dysplasi via konventionell endoskopi kännetecknas av låg interobserver avtal och dålig korrelation med histopatologiska fynd. Chromoendoscopy förbättrar avsevärt synlighet slemhinnan oegentligheter som metaplasi och dysplasi slemhinna. Magnetiskt styrd kapsel endoskopi (MGCE) erbjuder en alternativ teknik för övre GI undersökning. Vi förväntar oss att svårigheterna för diagnos av tumör i konventionell endoskopi att överföra till MGCE. Därför strävar vi efter att kartlägga en väg för tillämpning av chromoendoscopy på MGCE via en ex-vivo djurstudie.
Metoder
Vi föreslår en modifierad beredning protokoll som lägger ett färgningssteg till den befintliga MGCE förberedelse protokollet. En optimal färgning koncentration bestäms kvantitativt för olika typer fläck och sjukdomar. För detta ändamål 190 gris mage vävnadsprover med och utan skade imitationer färgades med olika färgämneskoncentrationer. Kvantitativa visuella kriterier införs för att mäta kvaliteten på färgningen med avseende på slemhinna och lesion synlighet. Thusly bestämda optimala koncentrationer testas i en ex vivo gris mage experiment under magnetisk ledning av en endoskopisk kapsel med den modifierade protokollet.
Resultat
Vi fann att det föreslagna protokollet ändringen inte påverkar synligheten i magen eller styrbarhet av endoskopi kapseln. En genomsnittlig optimal färgning koncentration för det föreslagna protokollet hittades på 0,4% för metylenblått och Indigokarmin. Lesionen synlighet förbättras genom att använda den tidigare erhållna optimala färgämneskoncentration.
Slutsatser
Vi drar slutsatsen att chromoendoscopy kan appliceras i MGCE och förbättrar slemhinna och lesion synlighet. Systematisk utvärdering ger viktig information om lämplig färgning koncentration. Men ytterligare djur och människa i-vivo-studier är nödvändiga.
Nyckelord
Metylenblått Indigokarmin Färgning Bakgrund
Även incidens och dödlighet minskar, magsäckscancer med 738.000 fall i hela världen under 2008 är den 2: a mest dödliga matsmältnings tumör i världen [1]. Intestinal metaplasi och dysplasi är förstadier till cancer [2]. Identifieringen av dessa skador och uppföljning av drabbade patienter kan leda till tidig diagnos och behandling, och därmed förbättra överlevnaden hos patienten [3, 4]. Gastroskopi (EGD) är den vanligaste förfarandet för diagnos och behandling. Men för att upptäcka metaplasi och dysplasi konventionell EGD kännetecknas av låg interobserver avtal och dålig korrelation med histopatologiska fynd [5, 6].
Olika tekniker finns tillgängliga för att förbättra och framhäva slemhinnan oegentligheter och för att öka synligheten av strukturer som ligga under ytan av slemhinnan. De viktigaste metoderna inkluderar smalbandiga imaging, konfokala laser endomicroscopy, förstoring endoskopi, optisk koherens tomografi och chromoendoscopy [7-10]. Dessa tekniker har ofta jämförts med varandra, eller i kombination med avseende på deras inverkan på diagnostisk noggrannhet (exempelvis i [11, 12]). Men en väsentlig skillnad mellan chromoendoscopy och alla konkurrerande tekniker ligger i bristen på extra hårdvara. Chromoendoscopy kräver ingen modifiering av hårdvaran i avbildningssystemet.
Vidare chromoendoscopy i EGD och koloskopi har visat sig signifikant öka synligheten av slemhinnan oegentligheter som metaplasi och dysplasi [13]. Chromoendoscopy består av topisk applicering av olika fläckar för att förbättra vävnads synlighet, lokalisering och karakterisering i syfte att bättre diagnos. Chromoendoscopy består vanligen av fyra steg för absorberande fläckar och tre steg för kontrast fläckar: (1) Tillämpningen av en syralösning för att upplösa gastric slem, (2) lokal applicering av en fläck, (3) (endast för absorberande fläckar) tvättning av respektive region med vatten och (4) visuell inspektion av de färgade regioner för diagnostiska ändamål. I (1) - (3) tillämpningen av färgämnet sker lokalt med hjälp av arbetskanal av endoskopet och olika sprut katetrar (direkt metod) under den visuella ledning av endoskopet. För koloskopi den passiva tillämpning av fläcken med ett färgämnespulver fyllda kapseln har också rapporterats [14, 15]. I detta förfarande en kapsel med färgämnespulvret ges till patienten efter administrering av en tarmrengöring lösning, såsom PEG. Mellan färgämnet administration och koloskopi prov är nödvändigt en väntetid. Applicering av färgämnet på morgonen och examinering på eftermiddagen rapporterades som en tillräckligt stor tidsrymd [14]. Om förfarandet visade sig vara genomförbart, har svårigheter rapporterats på grund av den inhomogena tillämpning av fläcken [16]. Den orala tillämpning av färgämne för undersökning av magen utan att använda en sprut kateter (indirekt metod) har beskrivits i [15, 17].
Nyligen olika metoder för magnetiskt guidade kapsel endoskop (MGCE) för mag- och tunntarmsundersökningar presenterades [18-23]. I en klinisk studie på människor, MGCE visade möjligheten av gastric utforskning med en guidad kapsel endoskop [18, 19]. I denna specifika studie magen fylldes med vatten och kapseln navigeras från utsidan med hjälp av ett externt magnetfält. En operatör kan kontrollera rörelsen av kapseln under undersökning med återkoppling från gastric avbildning i realtid från två kapselkamerasensorer. Därför kunde han få ett tillräckligt antal bilder magen ytor med diagnostiskt värde.
Vi förväntar oss att kända svårigheter vid diagnos av neoplasi, om interobserver avtal konventionella endoskopi, överlåtelse MGCE. MGCE kunde således dra nytta av chromoendoscopy på samma sätt klassiska endoskopi gör. Men jämfört med den direkta tillämpningen av fläck i EGD och de flesta koloskopi förfaranden i MGCE endast indirekt tillämpning är möjlig. Ingen syra beredning och tvättning av magslemhinnan är möjlig. Vidare måste det vatten i vilket kapseln manövreras, inte färgas vid nivåer som minskar den övergripande sikten. Konkurrerande metoder, såsom smalbands avbildning vid diagnos av kolorektal neoplasi är svåra att integrera i en kapsel endoskop [11]. Dessutom, liksom i många endoskopiska tekniker exakt effekterna av chromoendoscopy och de tekniska detaljerna har ännu inte fastställts [24, 25]. Till exempel i litteraturen ([5, 26, 27]) kan man hitta tre olika koncentrationer av metylenblått färgämne och ansökningstider för undersökning av mag-tumör. Sökandet efter en optimal koncentration för en färgningsprocedur i djur- och människo försök har rapporterats några gånger, men utan stöd av en grundlig analys. I [28] en optimal färgning koncentration för samtidig konfokala laser endomicroscopy och chromoendoscopy med kresylviolett bedöms i Datormöss, men utan ett objektivt kriterium. I [29] en optimal färgning koncentration för endocytoscopy var nås i en ex vivo djurstudie där nyligen opererande svin matstrupe, magsäck och kolon undersöktes. Bildens kontrast och färgning status utvärderades av experter för varje organ för att bestämma den bästa koncentrationen. Resultat överfördes till opererande mänskliga organ. Problemet med en saknad systematisk studie för klassisk chromoendoscopy i magen överföringar till MGCE och blir allvarligare genom de utmaningar som indirekt applicering av färg.
I denna uppsats vi utvärdera möjligheten att tillämpa chromoendoscopy att MGCE i en ex vivo djurstudie. Först föreslår vi en ändring av MGCE förberedelse protokollet för att införliva ett färgningsproceduren för chromoendoscopy. För det andra presenterar vi en metod för att systematiskt utvärdera en optimal koncentration av färgämne för det föreslagna protokollet modifiering. Optimeringen sker genom försök med gris magen vävnadsprover och med hänsyn till den bästa synligheten av vävnad av olika histologiska eller patologisk natur. Tredje överför vi dessa resultat till en ex-vivo-gris mage experiment under magnetisk ledning av en kapsel endoskop. Dessa experiment bör bestämma: a) den totala undervatten sikten efter den föreslagna passiva färgningsprotokollet; och b) slemhinnan och lesionen synlighet med den optimerade färgämneskoncentration.
vägledning magneten är tekniskt liknar den som används för den humana undersökning [18, 19]. Alla navigationsfunktioner av denna undersökning finns även i vår inställning. Systemet är en gemensam utveckling av Siemens Healthcare och Olympus Medical Systems Corp. Dess huvudkomponenter är: (1) En vägledning magnet som består av en uppsättning av elektromagnetiska spolar som definierar en arbetsvolym och gör det möjligt för operatören att styra en kapsel endoskop med 5 grader av frihet (DOF). Den magnetiska flödestätheten har högst 100 millitesla. (2) En kapsel endoskop av 31 mm längd som tillverkas av Olympus Medical Systems Corp. med en inbyggd permanentmagnet och två CCD-kameror vardera sänder 2 bildrutor per sekund i realtid till en extern mottagare ansluten till patientens kropp. (3) En display som visar kapsel bilder till operatören. (4) En uppsättning av joysticks tillåter föraren att manövrera kapseln i magsäcken. Orienteringen för en elektromagnetisk (EM) fält orienterar kapseln i magen. EM fältet tillsammans med ett EM gradientfält generera krafter på kapseln endoskopet mindre än 1 millinewton. Dessa är tillräckliga för translationsrörelser. Mer information om hårdvara och mjukvara utformning av vägledning magnet kan hittas i [30]. Ledning av kapseln utförs baserat på realtid avbildning från kapseln endoskopet inuti grisen magen.
[31] en gris mage studie presenterades för att förbättra slemhinnorna synlighet i MGCE med metylenblått. Denna studie var begränsad till endast ett fåtal fall och en enda färg. Den magnetiska styrbarhet endast simuleras med hjälp av en plastbärare och det fanns ingen systematisk utvärdering av en optimerad färgämneskoncentration före experimenten. I detta papper magnet styrbarhet uppnås med en kapsel vägledning magnet. Studien genomförs med ett stort antal grismagar och leder till en systematisk utvärdering av två optimala färgtyper.
Metoder
Ändring av förberedelse protokoll för MGCE
etablerade förberedelse protokoll som används för den nuvarande mänskliga MGCE studie med 43 patienter består av tre förvaltningar kranvatten före undersökningen: [18, 19]
Befintliga MGCE förberedelse protokoll
E.1 500 ml rent vatten vid rumstemperatur en timme och 15 minuter före undersökningen och efter fasta över natten.
E.2 400 ml rent vatten vid rumstemperatur 15 minuter före undersökningen följt av lätta övningar.
E.3 400 ml rent vatten vid nära kroppstemperatur, omedelbart före granskningen .
Alla ansökningar ges oralt. Steg E.1 och E.2 är i första hand avsedda för rengöring av magen. Steg E.3 syftar till att utvidga magsäcken för att få tillräckligt med utrymme för kapseln kan manövreras och för fullständig insyn i magslemhinnan utan gastric veck överlappar varandra och så småningom dölja relevanta slemhinna delar. Steg E.3 kan inte ändras eftersom det är avgörande för ledning av kapseln i magen. Vi räknar med att vattnet färgas i en sådan utsträckning att den allmänna sikten reduceras när fläcken är direkt tillämpas före E.3. Därför föreslår vi att passa en färgningssteg mellan stegen E.1 och E.2 av den befintliga preparatet protokollet. För att genomföra ytterligare experiment med djur fantomer följande protokoll antas för grismagar
Modifierad MGCE förberedelse protokoll för grismagar
M.1 2000 ml rent vatten vid rumstemperatur som töms ut ur magen omedelbart efter administrering. Syftet med detta steg är fortfarande rengöring av magsäcken från slem och /eller kvarvarande mat.
M.2 100 ml av färgämne, följt av 5 minuter av massage och knådning av magen för att simulera peristaltisk rörelse, följt av tömning av magen från färgämnet. Detta steg applicerar färgämnet till magen väggar. Massage och knåda magen simulerar peristaltiska rörelse och utförs under antagandet att färgämnet skulle vara naturligt spridda över alla anatomiska områden i magen i den naturliga fall. Simulerar matsmältnings peristaltik via massage en Stomacher påse eller ett blocksystem för att skapa peristaltisk rörelse i en mekanisk mage modell rapporterades i [32, 33].
M.3 500 ml rent vatten vid rumstemperatur, som förblir i magen under 5 minuter och därefter tömmas ut. Detta steg liknar E.2 av standard MGCE förfarandet men den här gången evakuerar även resterande färgämne.
M.4 2000 ml rent vatten vid nära kroppstemperatur, omedelbart före granskningen (samma ändamål som E.3 ).
Alla ansökningar utförs genom matstrupen och har för avsikt att simulera den orala tillämpningen av vatten och färgämne. Med användning av en kombination av vatten, för att expandera magen, och färgämnet samtidigt antogs vara oförenligt med MGCE eftersom synligheten av kapseln skulle försämras. Tömningen utförs genom att försiktigt klämma magen och imiterar det naturliga evakuering av maginnehållet in i tunntarmen. Mängden vatten för tvätt och expandera magen (steg M.1 och M.4) sattes till större värden på grund av den större storleken på en grismage.
Target lesion och skade imitationer
bedöma fördelarna av chromoendoscopy i MGCE den föreslagna metoden testas på friska slemhinnan och neoplastiska lesioner imitationer. Lesioner av eventuell magcancer tidigt (EGC) är uppdelade i 3 huvudkategorier: utskjutande (0-I), icke-utskjutande och icke-grävts (0-II), utgrävd (0-III) med var och en av dessa typer har flera sub -types [34]. Två lesionstyper anses för att utvärdera fördelarna med chromoendoscopy med den föreslagna modifierade protokoll: pseudopolyps att simulera en utskjutande (0-lp) skada och icke-utskjutande något deprimerade lesioner av typ 0-lic. I [35] beskrivs ett förfarande för att skapa en pseudopolyp med användning av en esofagus variceal ligering anordning. Vi använde ett liknande tillvägagångssätt, men använde en sutur för att utföra en ligering av magslemhinnan för att skapa en pseudopolyp. För simulering av 0-IIc icke-utskjutande lesioner 10% HCl-lösning applicerades på magslemhinnan under 15 sekunder och tvättades bort med kranvatten. Åtta exempel bilder (fyra av 0-lp och fyra av 0-lic) av de skapade lesioner imitationer visas i Figur 1. Figur 1 Lesion imitationer: Figur 1 (A): Fyra exempel på icke-utskjutande något-deprimerade lesioner (0 -IIc) formad med mörka linjer, Figur 1 (B): fyra exempel på pseudopolyps (markerade med pilar) för att simulera en utskjutande lesion (0-lp) katalog fläckar
Under EGD eller koloskopi, är olika fläckar används. för chromoendoscopy. De klassificeras som absorberande, kontrast, eller reaktiv [24]. I våra experiment använder vi en absorptiv fläck (metylenblått) och en kontrast fläck (indigokarmin). Metylenblått, absorberas av specifika celltyper och höjdpunkter, därför, genom absorption företrädesrätt. Indigokarmin är inte absorberande och lyfter slemhinnan genom mekanisk sammanslagning i cervices mellan epitelceller, fett eller deprimerade lesioner och andra oegentligheter. Lesionen imitationer av typ 0-lic (magcancer tidig) färgas med indigokarmin som beskrivs i [36]. . För färgningen av fina detaljer i slemhinnan Metylenblått används Review, Visual kriterierna för en optimal färgkoncentration Review, en färgningsprocedur för chromoendoscopy i MGCE har ytterligare utmaningar jämfört med klassiska chromoendoscopy involverar en flexibel endoskop: Lokal tillämpning av färg som användes i EGD och koloskopi är inte möjligt i MGCE, varken är en syra beredning av slemhinnan eller tvättning av de gastriska mukus efter tillämpningen av fläcken. Den optimala färgämneskoncentrationen är kvantitativt och systematiskt utvärderas och tillämpas vidare i den föreslagna modifierade protokoll. För detta ändamål är ett stort antal bilder från gris mage vävnadsprov färgade med olika färgämneskoncentrationer för att bestämma en optimal färgning koncentration (Se figurerna 2 och 3). Eftersom vi funnit att enkla visuell inspektion är inte tillräcklig för att exakt bedöma den optimala färgkoncentration, definierade vi två objektiva visuella parametrar för att utvärdera koncentrationen applicering på frisk slemhinna och 0-lic lesion imitationer: Figur 2 Metylenblått färgning: gris mage fläckar som härrör från olika magar färgas med koncentration från 0% till 1,4% metylenblått. (A): ingen färgning, (B): 0,2%, (C): 0,4%, (D): 0,6%, (E): 0,8%, (F): 1%, (G): 1,2%, ( H): 1,4%. Bild av 2 x 2 cm gris magen plåster var beskäras till 1,8 x 1,8 cm.
Figur 3 gris mage fläckar med skada imitation färgas med olika koncentrationer av Indigokarmin. (A) ingen färgning, (B) 0,2%, (C) 0,4%, (D) 0,6%, (E) 0,8%, (F) en%. Icke-utskjutande något-deprimerade lesioner (0-lic) är formad med röda konturer. Bild av 2 x 2 cm gris magen plåster var beskäras till 1,8 x 1,8 cm
1. Lesion till bakgrunds kontrast. Bildkontrast kan definieras som den kvantitativa skillnaden när det gäller färg och intensitet, mellan flera angränsande rumsliga bild regioner eller objekt inom en bild. För endoskopiska bilder kontrast kan tolkas som den lokala kvalitativ skillnad i färg och /eller intensitet mellan närliggande patologisk och frisk vävnad. En optimal färgkoncentration för visualisering av en skada skulle därför definieras av en koncentration som leder till en maximal kontrast mellan patologisk och frisk slemhinna. Chromoendoscopy syftar till att förstärka denna kontrast så mycket som möjligt av den pålagda färgen och resulterande förändringar i färgningen av olika slemhinna typer. Vi tilldelar en numerisk poäng jag
c
som informellt kan definieras som den genomsnittliga kontrasten mellan skada vävnad och frisk vävnad.
För beräkningen av kontrast poängen I
c
två regioner R
l Mössor och R
h
definieras för bildområde med skador och den friska vävnaden respektive. Eftersom kontrasten i en bild kan beskrivas som den kvantitativa skillnaden mellan olika bildområden. Ett mått på kontrasten jag
c
mellan de båda regionerna kan därför vara betecknar som Jag
c
=
g
(
R
l
) katalog -
g
(
R
h
) Review (1) där g
(·) hänvisar till den grå-skala omvandling av den ursprungliga färgbilden. Att beräkna en sådan kontrast poäng för varje bild de båda regionerna R
l Mössor och R
h
manuellt valda i en region med skador och den friska vävnaden. Denna märkning process inte segmentet exakta gränsen mellan frisk och sjuk vävnad. Manuell segmentering är alltid föremål för experten. Mer särskilt en exakt segmentering är relativt oviktig, jämfört med den totala kontrasten mellan två bildområden. Därför exakt region segmente är inte nödvändigt. Figur 4 visar ett exempel på en manuellt segmenterad sjuk vävnad region. Värdet på en gråskalebild ligger mellan 0 och 255. Därför betyget för skadan till bakgrunds kontrast skulle också ligga mellan dessa två värden, där ett litet värde skulle innebära dålig kontrast och ett högt värde skulle tyda på en bild med hög kontrast mellan skada och bakgrund. I [29] ett sådant tillvägagångssätt definierades att bestämma den optimala kontrasten mellan cytoplasman och kärnorna för endocytoscopy. Figur 4 märkningsmetod exempel: Figur 2 (A): Utan etiketter. Figur 2 (B): Den segmente sjuk vävnad region begränsas av en röd linje. Punkterna på den röda linjen visar manuellt valda segmenteringspunkter
2. Global struktur varians. Olika mätningar konsistens är kända från datorseende i allmänhet och i synnerhet från medicinsk bildbehandling för att automatisk segmentering, klassificering eller innehåll baserat bild hämtning [37, 38].
Image konsistens kan beskrivas som ett mått på rumsliga arrangemang och distribution av intensitet och /eller färg i en bild. Inom dessa arrangemang och fördel variansen kan mätas. För bilder i endoskopi kan detta vara den globala kvantitativ skillnad i färg och /eller intensitet mellan vävnad av olika histologiska eller patologisk natur och intensitet /färg variansen mellan dessa vävnadsområden. En bild som uppvisar hög textur är en bild med en avsevärd mängd urskiljbara intensitet /färgvariation. Om samtidigt bilden uppvisar en hög varians mellan dessa bildregioner vi översätter detta till en bild med hög konsistens varians. Chromoendoscopy syftar till att förbättra den globala struktur variansen genom att markera vävnadsområden på magslemhinnan med olika egenskaper så tydligt som möjligt. En optimal färg skulle därmed maximalt öka faktiskt existerande olika vävnadsområden och skulle orsaka hög varians i kontrasten mellan dessa olika texturer. Review, en populär funktion för att beskriva struktur är den lokala binära mönstret (LBP) [39]. Denna metod har i stor utsträckning i medicinsk bildbehandling och har, bland andra varianter, utvidgats till att kvantifiera den globala struktur variansen av en bild [40]. Vi tilldelar en numerisk poäng v
en
r
(R
, N
) g
som informellt kan definieras som kontrast variansen i bild konsistens.
beräkningen av v
en
r
(R
, N
) g
är som följer: Den grundläggande principen för LBP är en diskret karakterisering av pixel stadsdelar . Varje pixel i en bild tilldelas ett värde beroende på hur den förhåller sig till sina grannbildpunkter i tid av intensitet. Området brukar definieras av två parametrar, som är antalet pixlar beaktas och avståndet mellan mitt pixel och dess grannar. I LBP grannarna är ordnade i en cirkel runt en central pixel och därför kan enkelt definieras avståndet från cirkelns radie. Varje bildpunkt på denna cirkel tilldelas värdet 0, om dess intensitet är lägre än intensiteten hos den centrala bildpunkten och värdet 1, om intensitetsvärdet är större än den för den centrala bildpunkten. För en centerbildpunkt med 8 grannar som skulle bli följden, till exempel i en 8-siffrigt binärt tal som leder till det ursprungliga namnet på ett linjärt binärt mönster. En binär LBP mönster vid ett center pixel p
c
vid positionen (c
x
, c
y
) med dess N
grannar pixlar p
N-delar på en radie R
kan därför beskrivas som LBP (
R

N
) katalog (
c
x

c
y
) katalog =
Σ
i
=
1
N
b
(
p
n
(
i
) katalog -
p
c
x

c
y
) katalog ×
2 Review N
(
d
→

• Utvärdering av POSSUM poängsystem hos patienter med gastrisk cancer som genomgår D2-gastrectomy
• Viscerala fett förändringar efter distal gastrektomi enligt typ av rekonstruktionsförfarande för magcancer