三叉戟:双重氧化和实时荧光成像技术平台和定量手术指导
Silvere Segaud
1,
卢卡。马
1,
埃里克·费利仍
2,
Elisa Bannone
2、3,
洛伦佐Cinelli
2、4,
玛丽亚丽塔Rodriguez-Luna
1、2,
Nariaki Okamoto
1、2,
黛博拉·S·凯勒5,Michel de Mathelin1,Sylvain Lecler1、6,
米歇尔·戴安娜
1、2和
Sylvain Gioux
1、7*- 1法国斯特拉斯堡大学ICube实验室Illkirch
- 2研究所对消化道癌症(IRCAD),斯特拉斯堡,法国阿尔萨斯
- 3一般和胰腺手术后,胰腺研究所,维罗纳,意大利维罗纳大学
- 4胃肠手术,圣拉斐尔医院IRCCS,米兰,意大利
- 5CA-Davis大学医学中心外科学系,萨克拉门托,CA,美国
- 6早期斯特拉斯堡,斯特拉斯堡,法国阿尔萨斯
- 7直观的手术,Aubonne,瑞士
尽管最近手术指导,技术进步目前的术中评估的组织,应该删除(如癌症)或避免(如神经)仍然表现主观。光学成像是一种非接触、非侵入性的方式,有潜力提供反馈关于生活组织通过成像条件的体内注射对比剂或内源性成分如血红蛋白,水,脂质。因此,光学成像是一个有吸引力的方式提供生理和结构在实时决策手术的相关信息。三叉戟成像平台被设计为使用最先进的光学成像实时手术指导。这个平台能够双外生和内生成像由于独特的过滤器和源组合,允许利用两种成像模式。这个平台利用实时、定量成像方法在空间频率域,称为单一快照成像的光学特性(SSOP)。三叉戟成像平台被设计成符合所有相关标准供临床使用。在这个手稿,我们首先介绍开发三叉戟成像平台的基本原理。然后我们描述荧光和内源性成像模式,我们提出的细节设计,评估平台在板凳上的性能。最后,我们在执行的验证平台在活的有机体内临床前实验。总之,这项工作奠定了基础翻译最先进的光学成像技术的诊所。
1介绍
近红外(NIR)光学成像的功能大大扩展了在过去的几年中,为组织提供反馈状态评估在手术过程中,特别是血液灌注的评价。在这项工作中,一些术中允许非接触式光学成像技术,大视场宏观(即。大于100厘米2)成像的外科领域已经发展从概念到临床试验测试。这些技术与显微成像技术有较小的领域的观点和要求仪器接触或非常接近标本。在这种背景下,荧光成像技术的发展,手术指导铺平了道路与越来越多的可用的造影剂和开发新的宏观成像技术(Gioux et al ., 2010;吉布斯,2012;Vahrmeijer et al ., 2013)。然而,缺乏定量的功能导致的荧光图像主观评价,介绍手术结果的可变性(Pogue et al ., 2018 a;Pogue et al ., 2018 b;Mieog et al ., 2022)。另外,多光谱和高光谱内生成像的能力来提取功能参数手术指导临床应用报道(范卢和,2014年;Shapey et al ., 2019;克兰西et al ., 2020)。,但苦于缺乏定量提取组织成分的浓度和不能提供实时反馈参考。
空间频率域成像(SFDI)是一个相对较新的光学成像方法,有能力执行定量成像的血红蛋白浓度,进而组织氧合的大油田的视图(> 100厘米2)(Dognitz Wagnieres, 1998;Cuccia et al ., 2009;Gioux et al ., 2019)。最近的事态发展在收购和加工导致的实时实现SFDI-namely单一快照成像的光学特性(SSOP) (Vervandier Gioux, 2013;van de吉森et al ., 2015))。最先进的形式SSOP深上优于加工利用,导致高质量的图像,同时保留实时量化方法的能力Aguenounon et al ., 2020;史密斯et al ., 2022)。
克服缺乏工具能够量化的内源性组织评估成像在临床的设置,我们提出一种新颖的成像平台,称为三叉戟,整合最新执行SSOP发展实时氧化成像和荧光成像。结合这些最先进的成像技术在单一成像平台使各自表现的比较以及潜在的组合。
在这个手稿,背景部分光学成像后手术,三叉戟成像平台的详细描述,以及荧光和氧化成像方法。接下来,板凳特性实验,光学性质的表演平台成像和荧光检测。最后,在活的有机体内验证了成像平台的能力在小肠通过测量动态检测缺血组织氧化和实时荧光。
2背景
2.1定量光学成像手术
的几个实现荧光成像或氧化广角(> 100厘米2)成像中存在文学(DSouza et al ., 2016;Shapey et al ., 2019;克兰西et al ., 2020)。根据使用的成像方法,这些实现大大不同的量化测量信号的能力。没有试图提供一个广泛的审查,值得一提的是,最常见的光学成像荧光或氧化包括使用时间与空间常数灯饰(Bigio Fantini, 2016)。这些方法本质上是有限的量化信号的能力,因为他们无法区分散射与吸收,创建一个相声的两个来源之间的对比。相比之下,使用调节的方法在时间或空间允许分离的散射和吸收,从而允许更精确的量化的信号。
在这项工作中,我们使用一个名为空间频率域的方法成像(SFDI)。最近发表在《文学,详细解释原则、采集和处理方法,以及应用程序(Gioux et al ., 2019)。简而言之,SFDI依赖的投影空间调制照明模式(也称为结构化照明,通常呈现正弦调制模式)和振幅量化的抑制反射模式的空间频率的函数。光传播模型,然后使用(通常是蒙特卡罗)与反射模式的振幅的抑制介质的光学特性(吸收系数和散射系数)。我们小组开发的实时实现SFDI,称为单快照能够捕获的光学特性(SSOP)吸收和减少散射系数以及配置信息(3 d剖面调整)的样品只有一个图像(Vervandier Gioux, 2013;van de吉森et al ., 2015);安吉洛et al ., 2017)。最新的实现利用GPU,快速查找表和深度学习允许实时准确和高图像质量成像剖面调整(安吉洛et al ., 2016;Panigrahi Gioux, 2018;施密特et al ., 2019;Aguenounon et al ., 2020)。资源对于SFDI以及SSOP的仪器和处理方面,包括材料的引用和处理代码,在OpenSFDI免费(阿普尔盖特et al ., 2020)。
2.2荧光成像技术
图像引导手术的最常见的荧光成像技术依赖于外源造影剂注射的强调一个特定的结构(例如,淋巴结,血管,肿瘤)(一样,2003;Ntziachristos 2006;Gioux et al ., 2010;吉布斯,2012;Vahrmeijer et al ., 2013;Mieog et al ., 2022)。相匹配的专用成像系统的光学特性对比剂(即吸收和发射光谱)然后用来强调对比剂的存在在实时手术。当前实现应用于临床(许多商业产品)在本质上是定性的,这意味着荧光信号测量的成像系统并不是直接关系到当地的对比剂(即。,它的浓度)。荧光信号依赖于多个外部和内部因素,如光照均匀性,成像系统之间的距离和外科领域,当地组织光学特性(吸收和散射特性),由于染料荧光性质的变化环境,或分子的量子产率。最近的努力试图解决这些挑战(Pogue et al ., 2018 a;Pogue et al ., 2018 b;Mieog et al ., 2022)。一些当前商业系统允许正确成像系统之间的距离和外科领域,甚至一些正确的照明尺度。研究原型设计,进一步正确不仅距离和场均匀性,而且光学特性,即使在实时。最后,荧光信号的时序行为正在调查的对比,特别是血液灌注成像(松井et al ., 2009;戴安娜et al ., 2015;梅耶尔et al ., 2021)。这种方法被称为荧光动力学不依赖于几个外部和内部因素。
在这项工作中所描述的实现中,我们选择启用三种模式的荧光成像在同一个原型。第一个模式由照明领域暂时常数(称为连续波,CW)近红外照明。连续波荧光成像是最常见的实现商业和研究(一样,2003;Gioux et al ., 2010)。第二模式包括捕获荧光图像和激发照明。一个然后把激发荧光图像的图像自动校正距离、光照不均匀性和部分光学性质(Ntziachristos et al ., 2005;Themelis et al ., 2009)。第三个模式由使用SFDI或SSOP提取外科领域的光学性质在激发和发射波长和使用此信息来修正距离,样本资料,照明不均匀性和光学特性。方法用于获得所谓的定量荧光图像之前所描述的文学(Sibai et al ., 2019;巴尔德斯et al ., 2019)。我们使用我们自己的方法称为qF-SSOP (巴尔德斯et al ., 2017)。注意,激发波长和荧光成像技术,筛选用于检测信号是依赖于造影剂成像。在本例中,我们打算形象吲哚菁绿(ICG)和从以前的工作中,我们使用760 nm的激发和收集通过过滤器从780海里。关于我们的过滤策略的更多细节描述2.4.2节。
2.3氧化成像
手术应用程序(氧化成像技术已经得到了越来越多的兴趣DSouza et al ., 2016;科勒et al ., 2019;Shapey et al ., 2019;克兰西et al ., 2020;费利仍et al ., 2020;费利仍et al ., 2021)。氧饱和度计算的比率oxy-hemoglobin的浓度总血红蛋白浓度(oxy-hemoglobin + deoxy-hemoglobin)。这里注意,氧饱和度指动脉和静脉的血液,而不是脉搏血氧仪,只有措施的数量在动脉的血氧饱和度。大多数氧化成像方法依赖于几个波长的反射成像,也称为多光谱成像,或高光谱成像在大量使用波长的情况下(例如,> 10波长)。这些方法通常依赖连续波照明和符合测量反射率光谱理论频谱和提取一个氧化值。在氧化的情况下成像,因为它是一个比率(oxy-hemoglobin总血红蛋白),散射的影响和样品之间的距离和成像系统可以管理。几个作者展示使用这些连续波多光谱和高光谱方法手术。
另一种方法为氧化成像包含被测信号的正确分离散射和吸收利用定量光学成像方法,如SFDI (Gioux et al ., 2011;Ponticorvo et al ., 2013)。在这种情况下,至少两个波长的吸收系数然后使用与比尔定律直接量化oxy-hemoglobin和deoxy-hemoglobin的浓度。然后使用这些值来计算样品的氧饱和度。在我们的例子中,之前工作在SFDI确定最佳波长氧化成像接近665 nm和860 nm (Mazhar et al ., 2010)。我们组和其他人翻译类似的技术临床前和临床实验(Gioux et al ., 2011;Nadeau et al ., 2013;Ponticorvo et al ., 2013;Ghijsen et al ., 2018;施密特et al ., 2019;Weinkauf et al ., 2019;陈和·杜尔,2020年;任et al ., 2020;赵et al ., 2021;律et al ., 2022)。然而,之前所有的工作包括一个实时的测量方法和结合氧化荧光的测量。三叉戟成像平台支持这种特性来理解潜在的临床使用一种或两种技术。
3材料和方法
3.1系统设计
本节描述成像平台为每个子系统的设计。给出了完整的系统的概述图1一个。这个医疗cart-based平台特性三个channel-imaging头,光纤耦合白色光源和激光源,和一个工作站。
图1。三叉戟成像平台:(一)整个的照片成像平台,包括医疗级馅饼,关节杆,成像头,光源(白光和激光),计算机和显示器;(B)最后的照片成像头铰接臂包括相机、Dptomechanical耦合系统,投影机和光学透镜;(C)的详细图表成像头包括摄像机、光机位耦合系统,光学镜片,二向色镜,光源,照明环,投影仪和光线的路径;(D)成像系统的滤波器设计的细节:注意颜色之间的分离,NIR1和NIR2相机结合光源的成像允许外科领域,氧化或荧光。
3.1.1购物车和手臂
这个平台是建立在一个定制的医疗级车(Symbio车,ITD Neubiberg,德国)。轮式基地配备了一个隔离变压器调节供电设备安全平衡砝码组装(符合IEC60601)。两个铰接臂熊显示屏的外科医生和运营商。第三关节杆(ICW精英5220年,梅德福,或者美国)是固定的中央列适应成像头。其庞大的达到允许用户操作系统,同时保持距离无菌字段。电缆可以从设备通过中央列和电缆护圈铰接臂。电力供应成像头使用24 V AC / DC转换器(AKM90PS24、XP权力、新加坡)。所有三个铰接臂方便折叠存放。宽阔的海狸香和大型处理提供良好的流动性在部署或推出的平台。
3.1.2成像头和过滤器的设计
描述了成像头图1 b, C。光机位设计特性三个独立成像渠道:一个可见光通道(颜色)和两个近红外光谱通道(NIR1和NIR2)。这些通道使用倾斜co-registered镜子,产生一个12厘米×15厘米的视野。检测光学使细孔径聚焦和个人控制。RGB相机(- 5000 c - usb,洁有限公司神奈川,日本)和两个单色相机(- 5000 m - usb,洁有限公司神奈川,日本;边缘4.2,Excelitas PCO GmbH, Kelheim,德国)用于检测的颜色,分别NIR1和NIR2渠道。
自定义过滤器集(色度Inc .,波纹管,VT,美国)提供波段选择光学性质和荧光成像技术最小化通道之间的串扰。两个过滤数据集(Axio多维数据集、蔡司、从德国)是由两个排放过滤器和二向色镜。这些过滤器可以很容易地交换以最小的变更根据所需的成像配置。图1 d描绘了滤波器设计结合氧化的来源提出了配置成像和800纳米荧光成像。第一次过滤数据集允许颜色通道的隔离(400 - 650海里)。第二个过滤器立方体分离NIR1和NIR2通道。NIR1频道提出配置允许检测的665纳米氧化成像或760海里的荧光成像。NIR2频道提出配置允许发射的荧光信号的检测从协调小组高于780 nm和860 nm氧化成像。注意,双色滤光密度大约是2和通道发射滤波器光学密度大约有6 - 7。这种配置允许适当的分离可见的颜色通道中解剖信息,同时与氧化成像或荧光NIR1和NIR2频道。
3.1.3白色光源
基于发光二极管(led)的灯(LO-35、光导纤维技术公司,鲳鱼,CT,美国)与自定义650海里短传和纤维束过滤器提供了一个明亮的照明的外科领域。尽管大量的红外线发光二极管发出低,额外的过滤器,确保最优的可见的照明,同时保留近红外通道从背景噪音。两个纤维束分裂成两个输出产生的多角度照明成像头在大面积超过50厘米直径45厘米的工作距离。定制的照明环透镜可以照亮最均匀的方式。
3.1.4激光源
定制的激光源被设计为平台。第一个源致力于投影机照明收集反射光学特性数据成像和第二个来源是致力于荧光成像技术。这两个来源被称为反射源和荧光源,分别为目的。图2 a, B提出了一个完整的源分别关闭和打开(俯视图)。
图2。激光光源:(一)光源关闭的图片;(B)光源的图片打开(俯视图);(C)单个激光二极管单元的详细示意图,包括激光二极管(LD)和司机,热电冷却器(TEC)及其司机,热敏电阻,光机位模块和输出纤维;(D)细节的冷却设计来源:注意单个激光二极管单元(D1 D6)组装到一个独特的散热片与强迫气流(进出)更有效的冷却,同时保持一个紧凑的设计。
单一来源的房子6个独立的模块,可以装载不同的激光二极管(LDX达光电、Maryville TN,美国)实现多光谱成像,或与感兴趣的激发的荧光团。相同的激光二极管也可以提供更高的照明电源。实时氧化成像,结合四个665海里(每2 W)和两个860海里(5 W)激光二极管装备反射源。为了激发800海里fluorophores-especially吲哚菁绿(ICG)英尺六英寸760海里(6 W)激光二极管安装在荧光源。
每个二极管热受热电冷却器(TEC) (TEC - 15.4 - 3.9 - 33.4 - 72 - 40 - ch4, 7,北极TEC技术,多特蒙德,德国)和一个热敏电阻放置在激光二极管底盘(TH10K Thorlabs,牛顿,新泽西,美国)。个人TEC司机(PTC5K-CH、波长电子、勃兹曼,太,美国)使二极管的温度调节和监控。同样,激光二极管驱动程序(LD10CHA、波长电子、勃兹曼,太,美国)控制激光输出功率,和监控的集成光电二极管的反馈。一个定制的光机位组装具有光学过滤器(色度Inc .,波纹管,VT,美国)和渐变型镜头(新港欧文分校、钙、美国)执行激光输出耦合到一个专用的纤维束(CeramOptec、波恩、德国)。在反射源的情况下,模块耦合成一个6-legged纤维束结合在一个单一的输出耦合的投影仪。荧光源,6条腿的包包含多个纤维随机和重新分配到6条腿插在一个照明环。此外,每个模块和USB界面的模拟输入/输出模块(USB - 202,测量计算、诺顿、马、美国)和自定义电子控制模块和记录反馈信号从一台电脑。单个模块的接口描述图2 c。
所示图2 d,为了消除激光二极管产生的大量热量的冷却和不同的驱动程序,所有加热模块组件安装在隧道散热器装备将推拉的粉丝。这个设计产生一个紧凑的装配和同时限制噪声由于有限数量的球迷和他们的大直径。
3.1.5照明
可以使用两个独立的灯饰的三叉戟成像平台。第一个照明是一个包含四个有透镜的输出的白光照明环(从白色LED光源),和六个SMA输出的连续波荧光照明(从荧光激光二极管源)。优化模式和透镜已经尽我们最大的努力提供最均匀照明。
一个投影仪基于数字微镜装置配备一个近红外兼容的投影光学(V7000 HiSpeed STAR-CORE, Vialux GmbH,开,德国)和一个定制的光纤耦合适配器允许的投影模式在光学性质的工作距离45厘米使用SFDI成像。线性偏振器(RCV8N2EC Moxtek,奥瑞姆,UT,美国)是正交偏振投影和检测路径前拒绝镜面反射。一个5 V直流/直流转换器(PYB30-Q24-S5-U,崔Inc . Tualatin,或者美国)提供电源的数字微镜器件(DMD)。
3.1.6工作站
高性能工作站已组装实现成像设备控制,数据处理,数据存储管理和可视化。CameraLink HS抓帧器(ME5马拉松AF2硅软件,曼海姆,德国)和一个额外的USB3.0控制器与成像头确保沟通。强大的CPU(英特尔酷睿i5 - 10600 k、英特尔、圣克拉拉,CA,美国)和GPU(方形住宅区RTX 4000年,英伟达,圣克拉拉,CA,美国)和64 GB的高速RAM可以对多个执行密集的数据处理和可视化显示。最后,5 TB的快速SSD存储设备安装数据流管理最多1 GB / s。
3.2系统测试
3.2.1光学性能
USAF1951解决图表(RES-2、新港、欧文、钙、美国)被放置在成像头45厘米距离和成像处理每个通道:颜色,NIR1 NIR2。光学特性提取的特点是成像的数组12 tissue-mimicking幻影的6×6×2.5厘米。这些治愈silicone-base聚二甲基硅氧烷(PDMS)样本组合使用不同量的醇溶苯胺黑和二氧化钛(TiO2)来优化材料的吸收和散射,分别生成一个大范围的光学特性测量:µ一个从0.013到0.08毫米−1和µ年代从0.75到1.8毫米−1在665纳米。这些样本成像在665 nm和860 nm) 0.2毫米−1空间频率照明使用深上优于实施SSOP和加工。测量比较同参考使用7 phase-SFDI台式成像系统。引用SFDI multi-laboratory性能评估的系统验证扩散光学仪器(位图运动)(斯里兰卡et al ., 2022),用于获得这项工作的参考光属性值。
3.2.2照明
峰值影响利率以45 cm工作距离的视野的中心使用数字手持功率计(PM100D Thorlabs,牛顿,新泽西,美国)预测为665 nm和860 nm,连续波模式,和在760纳米纤维的照明。
3.2.3灵敏度和噪声
NIR2渠道荧光检测的敏感性被成像评估协调小组稀释的八个不同稀释浓度二甲基亚砜(DMSO)从25纳米到800纳米。瓶放置在45厘米的成像头和成像不同曝光设置先后在两个不同的背景材料:一个大型tissue-mimickingµ幻影一个= 0.012毫米−1和µ年代' = 1.08毫米−1在665纳米和一张白纸。相比平均荧光信号提取和噪声敏感度评估地板水平。灵敏度定义为浓度产生强度噪声地板两倍水平。
为了量化荧光图像中的背景噪音,来自暗噪声和白光和激发光泄漏测量。前面提到的图像背景材料NIR2频道获得了不同暴露settings-exposure时间,传感器binning-with先后所有灯都关掉,白光和激发激光打开。
3.3临床前实验
3.3.1肠缺血模型
一个大猪是参与这个non-survival研究,获得完整的本地动物实验伦理委员会的批准(ICOMETH 038.2019.01.121)和法国高等教育和研究(MESR)以下参考:APAFIS # 20819 - 2019052411591088 v3。执行一个中线剖腹手术后,20厘米小肠循环被曝光。中部地区划定,和相应的拱廊枝子被孤立。夹是用来创建这些血管的阻塞,造成局部缺血在有限的部分肠其余循环灌注。闭塞是保持在14分钟直到释放。
3.3.2荧光成像技术
一剂4毫克的协调小组粉稀释1.6毫升的5%葡萄糖溶液中(Infracyanine、塞尔维亚、巴黎、法国)静脉注射2分钟前释放阻塞。彩色图像的颜色通道和荧光图像从NIR2通道获得从注入的计算和2分钟和30年代。成像工作距离保持在45厘米。使用760 nm激光激发荧光产生。
3.3.3氧化成像
一个正弦模式空间频率为0.2毫米−1预计在665 nm和860 nm波长使用DMD投影。反射率图像从NIR1 NIR2渠道获得,以及彩色图像颜色通道的解剖参考。图像记录开始2分钟前阻塞建立氧饱和度基线,阻塞后,在12分钟。进行荧光成像技术后,氧化成像恢复记录3分钟再灌注的最后阶段。
4的结果
4.1系统测试
以下4.4.1光学性能
45 cm工作距离和执行2×2装箱相机上的传感器(增加灵敏度),光学系统产生图像的视场12×15厘米,分辨率为1024×1280像素。测量横向分辨率和完全开放通道颜色和NIR2孔径为5.04 lp /毫米和5.66 lp /毫米NIR1通道。
一组12 tissue-mimicking幻影成像第一次用台式成像系统使用7 phase-SFDI作为参考。产生的图像使用深上优于SSOP临床平台处理。图像质量高、准确性好对光学特性提取。图3介绍了光学特性提取地图和误差估计SFDI相比标准。错误µ一个和µ年代”测量分别低于2.7%和2.1%为665 nm和860 nm氧化成像波长。
图3。板凳结果:内生成像:(一)组织模仿幻影有不同的吸收和减少散射特性成像与三叉戟成像平台:光学特性在所有幻影成像使用NIR1 (665 nm)和NIR2(860海里)的相机;(B)情节比较结果使用引用SFDI采集方法在长椅上系统相比,获得的结果与SSOP采集方法在三叉戟平台上:注意良好的协议在吸收和减少散射(分别误差低于2.7%和2.1%)。
4.1.2照明
连续波照明生产使用DMD投影在665纳米和860纳米氧化成像波长。投影机有小Gaussian-like变化的强度预测领域最大(55%)。这种不均匀性不影响系统的性能数据的信噪比允许适当的处理图像的位置。在工作距离45厘米,功率计探头放置在视场的中心。影响利率的0.93 mW /厘米2在665纳米和1.51 mW /厘米2在860纳米测量和分类为激光按IEC60825一班。荧光激发场在760 nm显示积分通量率峰值31.51 mW /厘米2和分类为激光类按IEC60825 3 R。
4.1.3灵敏度和噪声
一组8协调小组稀释浓度从25纳米到800纳米成像在同一个前所述条件。图4一显示的图片颜色和NIR2渠道以及覆盖。图4 b显示了在NIR2图像强度的演变为每个稀释在不同曝光时间与固定2×2传感器装箱以及使用硅胶幽灵作为背景。强度与曝光时间线性增加,直到达到饱和。从整个系列稀释,灵敏度估计通过测量浓度对应一个强度2倍噪声地板水平,产生signal-to-background比2。40毫秒曝光时间和2×2装箱因素,灵敏度约为18.8 nM。
图4。板凳结果:荧光成像技术:(一)结果与三叉戟成像平台从稀释一系列吲哚菁绿(ICG)稀释在二甲亚砜(DMSO)浓度从25纳米到800纳米的颜色(左),NIR2荧光(中间)和合并图像颜色的荧光(右);(B)情节显示稀释系列和一个幽灵背景成像在不同曝光时间从5到80毫秒;(C)图显示了暗噪声和漏与不同的装箱,曝光设置和背景材料。
背景噪音在NIR2通道测量使用先后tissue-mimicking幻影和一张白纸放在45 cm工作距离。图4 c显示暗噪声和漏的进化与曝光设置和背景材料。暗噪声首先测量了曝光时间从5 ms到160 ms和传感器装箱因素1×1、2×2,4×4。噪音水平占0.1%,0.6%,和2.4%的NIR2相机的动态范围分别测量1×1、2×2,4×4装箱的因素。相同的图像集收购全开光圈,白光和波长760纳米的激光激发光开启。噪音水平高于平均17%和46%黑使用幻背景或者一篇论文背景噪音,相应的主要激发光泄漏到NIR2通道。
4.2临床前实验
图5 a, B显示结果的临床前实验颜色,荧光和氧化。比较荧光和氧化成像在三个时间点:在基线阶段,经过12分钟的闭塞和再灌注后1分钟。
图5。已结果:荧光和氧化成像:(一)获得的图像与三叉戟成像平台在基线(左列),12分钟后闭塞(中间列)和1分钟后发布(右列)。注意闭塞和释放的影响与基线相比的彩色图像(第一行),荧光图像(第二行),颜色和荧光合并(第三行)和氧化(第四行)。(B)时间的情节氧化的实验结果,包括一个地区是阻挡(缺血性,蓝色的ROI和曲线)和一个地区不闭塞(控制、红色的ROI和曲线)。感兴趣的区域(高校)表示的彩色图像图5一个。
4.2.1荧光成像技术准备
在12分钟的闭塞阶段,通过静脉注射剂量的协调小组。NIR2和颜色通道的图像记录在12帧每秒50毫秒曝光时间和2×2传感器装箱而照亮了与760 nm激光外科领域。荧光强度在120×180像素监控感兴趣的区域(ROI)位于缺血区域ROI和50×50像素位于灌注区。荧光信号在灌注区35年代达到顶峰后注入之前下降并稳定在58%的峰值强度以后1分钟。
14分钟的阻塞后,夹被释放了。荧光强度立即增加缺血区,灌注简历。当稳定,强度达到72%的强度控制区域。
4.2.2氧化成像
氧化成像实现每秒12帧使用结构化的照明在0.2毫米−1空间频率在665 nm和860 nm。图5 b显示了两个roi的氧饱和趋势。在基线阶段,roi显示稳定的停止2率分别为77.9%和74.6%的控制和缺血区域。虽然灌注区仍然是4%的基准站的价值2在缺血区域氧化减少,直到达到63.8%后12分钟的闭塞。2分钟到30年代闭塞释放后,停止2率降低其基线状态,5分钟后达到75%,30年代的再灌注。
4.2.3视频
一个视频是包含在补充材料。提出了合并后的氧化和荧光结果的实验。在活的有机体内氧化和荧光成像。闭塞的肠循环的一部分进行了14分钟。氧化监控之前先夹紧,在12分钟的闭塞。从国际协调小组静脉注射荧光图像记录直到30年代后释放。氧化图像恢复的3分钟再灌注阶段。没有荧光信号在缺血区与低StO2率。再灌注后,这个区域显示荧光信号水平和灌注StO2利率接近的区域。氧化率稳定在控制区域而缺血可以检测和量化的闭塞地区。
5讨论
我们提出的设计和测试clinically-compatible成像平台实时定量光学成像在手术过程中。平台是为了形象荧光在三种模式(连续波、半定量和定量)或氧化。平台动态成像模式可以改变手术期间允许比较荧光和氧化模式。
板凳上平台演示其性能的表征光学特性成像和荧光成像。首先,对比tissue-mimicking幻影光学特性获得标准剖面修正SFDI和先进的深度上优于修正SSOP吸收和减少散射显示良好的协议,在665 nm和860 nm,预期从之前验证SSOP出版。在吸收平均误差低于2.7%,2.1%减少散射观察。考虑光学性能匹配的典型范围的生物组织,确保类似的表演在活的有机体内成像。为协调小组第二,表征研究证明敏感性检测浓度低至18.8 nM 40毫秒曝光时间和2×2装箱因素,相应产生理想的曝光参数实时荧光成像技术(25 fps)与高分辨率(1像素的图像)。相对较低的噪音水平进行测量,验证实现的光学滤波的性能,并确保高信号背景比率。
接下来,从一个结果在活的有机体内临床前试验在小肠模型演示平台的能力产生氧化速率实时映射,产生的监测组织缺血。更准确地说,可以观察到氧化动力学在缺血性阶段,并在再灌注阶段。这些结果一致与协调小组荧光的结果,证实了国标的适用性2作为血液灌注指标监测。然而,并发氧化和荧光成像技术目前是不可能的。然而,一个模式,同时氧化和荧光成像技术都需要没有被调查,并显示数据或其组合可能是一个挑战。
其他几个正在进行临床前研究更好地理解氧化成像不同手术(的利益费利仍et al ., 2020;Cinelli et al ., 2021;费利仍et al ., 2021;Jansen-Winkeln et al ., 2021)。尤其是这个平台为灌注提供价值评估为食管切除术胃导管创建期间,肝脏可行性评估,在结直肠肠道缺血监测程序。
总的来说,成像平台的设计确保最小干扰手术工作流通过维护工作距离长45厘米,提供明亮的白光照明的外科领域,并以人体工程学的处理设备。平台目前正在临床翻译first-in-human使用在结直肠吻合过程中使用氧化成像。本研究将先进的光学成像技术奠定了基础诊所和更好地理解其潜在的临床应用价值。
6结论
总之,我们提出了一种新颖的成像平台称为三叉戟。我们详细的平台设计、表征和验证氧化和800 nm实时荧光成像技术在临床环境。成像设备的验证证明其表演之前在板凳上执行在活的有机体内在临床前研究小肠血液灌注监控。其他几个临床前研究正在进行各种手术(肝、胃、肠、结肠、肾)。平台目前正在临床翻译first-in-human使用在结直肠吻合过程中使用氧化成像。本研究将先进的光学成像技术奠定了基础诊所和更好地理解其潜在的临床应用价值。
数据可用性声明
原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。
道德声明
动物研究是由当地动物实验伦理委员会审查和批准(ICOMETH 038.2019.01.121)和法国高等教育和研究(MESR)以下参考:APAFIS # 20819 - 2019052411591088 v3。
作者的贡献
SS、磅和SG设计和制造三叉戟成像系统及其采集和处理软件。SG和医学研究而设计的。党卫军,磅,EF、EB LC, MR-L,不,DK, SG, MD,进行了实验和分析数据。SS和SG起草了手稿。医学博士,毫米,SL, SG修订后的手稿重要的知识内容。所有作者批准了最终版本的手稿。
资金
这项研究是由欧洲研究委员会(ERC)在欧盟的地平线2020研究和创新项目赠款协议715737号(QuantSURG;SG)、国家科学(LiverSURG;anr - 18 ce19 - 0026),法国生活成像WP3 (SG),法国计划“Investissement d未来”由“国家科学”根据授权协议。anr - 11号- 006 (SG),斯特拉斯堡大学的国际防务展(SG)和欧盟的地平线2020研究和创新项目根据玛丽Skłodowska-Curie赠款协议没有857894 - (SG和MD)。
的利益冲突
作者SG是受雇于该公司直观的手术。
其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
补充材料
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关键词:光学成像、氧化成像、荧光成像、手术指导/导航、临床翻译
引用:Segaud年代,马L,费利仍E, Bannone E, Cinelli L, Rodriguez-Luna先生,Okamoto N,凯勒DS, de Mathelin M, Lecler年代,戴安娜M和Gioux年代(2022)三叉戟:双重氧化和荧光成像平台实时、定量手术指导。前面。光子学3:1032776。doi: 10.3389 / fphot.2022.1032776
收到:2022年8月31日;接受:2022年10月18日;
发表:2022年11月09年。
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