文摘

在成像,利用造影剂增强敏感性和特异性的诊断方法。在超声成像、微气泡(MBs)——gas-core shell-encapsulated剂在临床上用作造影剂。本研究的假设是,可以使用作为血管内造影剂微泡材料在光学成像系统。在这部作品中,交互混浊介质中的光和微气泡(intralipid)调查,特别是MBs的影响在减少散射和吸收系数。漫反射率(DR)和总透光率(TT)测量高度散射intralipid悬挂(0.5 -5%)使用光谱积分球测量系统在没有和Definity微气泡的存在。光学性质的计算使用逆增加一倍(IAD)软件。微气泡的存在增加和减少TT博士intralipid幻影。在MBs(体积浓度0.5%),intralipid幽灵的反射率从35%上升到100%。减少散射系数显著增加(30%)表明潜在使用基于光光学造影剂的MBs模式。

1。介绍

微气泡(MBs) gas-core shell-encapsulated泡沫直径1 - 5微米的,利用临床诊断超声成像作为对比剂(1]。微泡造影剂的各种气体通常是由全氟化碳、氮、六氟化硫气体。微气泡的外壳通常包括脂质,蛋白质,和聚合物1),其厚度在纳米范围内(60 - 200 nm) [2]。作为血管内造影剂微气泡的行为;他们仍然在流通。他们通常有一个短暂的一生;一般MBs在几分钟后消失(静脉注射3]。封装微型气泡可能可以作为光学造影剂自MBs有助于媒体折射率不匹配。MBs在组织的存在会导致折射率不匹配,可能允许MBs有别于周边媒体。微泡造影剂的各种气体和壳牌只会影响折射率的实部。没有大量的光学吸收和只有折射发生由于light-microbubble交互可能增加光散射,随后增加光学对比。微气泡的大小的一个波长,因此light-MB交互的主要光学效应是米氏散射(4]。

基于光模式有重大潜在的非侵入性的电离方法,可移植性,并且具有成本效益的医疗诊断(5]。然而,在可见光和近红外波段光散射(400 - 1200海里)相邻的组织之间的对比是有限的(6]。例如,尽管正常和恶性组织形态差异可以在肿瘤发展的后期,明显是有挑战性的检测早期肿瘤或肿瘤光类似于周围正常组织(7]。这可能提高造影剂来区分正常组织的病理损伤利用MBs作为造影剂在相似的方式为我们成像对比度增强[8]。

这项工作的目的是研究MBs的影响在浑浊的光传播媒体。Intralipid被用来模拟生物组织散射特性。在生物医学光子学,光传播是一个重要的过程在诊断和治疗的应用程序(9]。光传播通过任何媒介是由它的光学性质,是波长的依赖(10]。组织吸收系数的固有光学特性, 散射系数, 散射各向异性, ,减少散射系数, ,折射率 (11]。一般来说,组织是一个浑浊的媒体和软组织的光散射系数下降是在10 - 100(1 /厘米)。Intralipid是浑浊的,没有很强的吸收在可见区域,并且通常是用作组织模仿幻影介质(12]。

在这个工作中,不同浓度的intralipid被用来证明类似于软组织的漫反射系数和散射系数。吸收和散射系数测量透射率和反射率使用逆加一倍法(IAD)基于辐射传输理论。网络成瘾是一个所有地表反射率的辐射输运方程的精确解,所有光学深度,和所有阶段的功能,可以应用于任何介质的辐射输运方程是有效的(13]。在这项研究中,微气泡的影响与intralipid混合在intralipid解决方案在不同浓度的光学性质研究使用积分球的光谱测量和逆算法增加了一倍。

2。材料和方法

2.1。材料
2.1.1。Intralipid幻影

Intralipid (IL)幻影与不同浓度的0.5%,1%,1.5%,2%,3%,5% (v / v:体积浓度)的20%的股票的解决方案(Sigma-Aldrich、加拿大)被用来模拟生物组织的散射特性。intralipid 20%,根据制造商,是由大豆油20%,蛋黄磷脂1.2%,2.25%,甘油和水。甘油是成单个分子溶解在水中,不散射光线。water-glycerin解决方案的不同折射率的纯水对散射参数(没有可衡量的影响4]。IL可以产生的稀释wavelength-dependent减少散射系数( )的范围从5.7到26.7(1 /厘米),类似于值报告组织(14]。

2.1.2。微气泡

Definity (perflutren脂质微球,Lantheus医学成像、Billerica MA), FDA批准的商用超声微泡造影剂,在这项研究中使用。Definity微气泡的平均大小 μ米,测量使用库尔特计数器Multisizer(美国贝克曼库尔特(图)3),被添加到intralipid幻影在2.5% v / v(体积浓度)。微泡浓度与值用于体外超声实验(15]。Definity浓度 泡沫/毫升。

2.2。方法
2.2.1。光谱学

双光束积分球技术(UV-VIS-NIR分光光度计日本岛津公司uv - 3600,日本)是用来确定总透光率(TT)和漫反射率(博士)intralipid幻影和微气泡。可见光和近红外波段(300 - 850 nm)和8纳米狭缝宽度进行测量(16]。波长精度在UV / VIS地区:±0.2 nm和近红外光谱区域:±0.8海里。

intralipid幽灵被放置在2毫米光路石英比色皿(美国Starna细胞Inc .)。电池尺寸是45毫米×4.5毫米×12.5毫米(视为无限的方向垂直于入射电子束)和积分球样品港举行。光学厚的实验条件满足要求( )组织保证的有效性的样品多次散射(10]。在冗长的政权, 完全描述了光散射配置文件。

2.2.2。分析

逆增加一倍(IAD)软件(由Prahl, 2011)程序用于计算样品的光学性质(17]。IAD的设置程序样本折射率(1.47:幻影(intralipid散射粒子的豆油。大豆油的折射率 和被认为是样品的折射率(18])),顶部和底部幻灯片的折射率(1.5138:BK-7),样品厚度(2毫米),照明光束直径(7.1365毫米),反射率反射校准标准的(0.98),使用的范围和数量在每个测量(1)反射率测量球的属性是球体直径(60毫米),样品端口直径(18.74毫米),入射口直径(16.73毫米),检测器端口直径(13.12毫米)和反射率的球体墙(0.98)。透光率测量范围的属性是球体直径(60毫米),样品端口直径(16.73毫米),入射口直径(0.00),检测器端口直径(13.12),和反射率的球体墙(0.98)。

测量和TT博士作为输入用于IAD软件提取 和 是波长的函数(11]。逆增加一倍算法最初猜测固有光学特性集,比较预期的可见由积分球系统与测量,然后迭代接近最后一组固有参数测量值的偏差最小化TT和博士(17]。显示了IAD方法计算光学性质在百分之十真正的光学性质的样品厚度大于1光学深度 (10]。

2.3。实验

漫反射率(博士)和总透光率(TT)测定在可见光和近红外波段(从300年到850海里)intralipid幻影(0.5%,1%,1.5%,2%,3%,和5%)之前和之后添加微气泡。2毫米光路石英比色皿(Starna细胞Inc .)、美国)是用于保存积分球的样品样本港口。这确保了多次散射光学厚(的有效性 )组织样本10]。因此, 完全描述了光散射轮廓。光谱范围从300到850纳米的光谱分辨率为0.1 nm得到(1)intralipid只解决方案(MBs)和(2)与MBs intralipid解决方案。40 MB的体积比是1:所有测量在体外超声研究的范围(15]。

3所示。结果与讨论

3.1。反射和透射光谱

漫反射率(博士)和总透光率(TT) intralipid幻影以不同的浓度没有MBs在图所示1。增加博士和TT随intralipid浓度增加,如预期。博士和TT微气泡在去离子水稀释如图2。Definity微气泡的大小分布如图3。


图1
漫反射系数和总浓度的intralipid透光率。

图2
漫反射系数和总透过率对微气泡在去离子水稀释(没有intralipid)。

图3
库尔特计数器Multisizer 4测量Definity微气泡的大小。

博士和TT的幻影在不同浓度的微气泡的缺失和存在intralipids数据所示4,5,6,7;微泡造影剂的各种光谱的实线所示。的增加和TT减少博士为所有intralipid浓度微气泡的存在。例如,在0.5% intralipid浓度幻影,增加了35 - 100%的博士和TT下降25 - 40%的MBs(图4)。此外,微气泡的影响取决于波长。在长波长,微气泡对反射信号的影响减少,而增加总透光率的影响。此外,反射率和透过率光谱依赖intralipid浓度。随着intralipid浓度增加,MB博士和TT的效果明显降低。intralipid浓度高于1.5%,博士和TT和没有微气泡似乎相似(图7)。


图4
漫反射率(DR)和总透光率(TT)稀释intralipid (IL),浓度0.5%,之前和之后添加Definity微气泡。

图5
漫反射率(DR)和总透光率(TT)稀释intralipid (IL),浓度1%,之前和之后添加Definity微气泡。

图6
漫反射率(DR)和总透光率(TT)稀释intralipid (IL),浓度1.5%,之前和之后添加Definity微气泡。

图7
漫反射率(DR)和总透光率(TT)稀释intralipid (IL), 2%, 3%,和5%的浓度,添加前后Definity微气泡。
3.2。光谱固有光学特性的微气泡的存在

的光学特性(减少散射和吸收系数)intralipid幻影(0.5%到5.0%)和微气泡只有在去离子水数据所示8和9,分别。减少散射和吸收系数增加而增加intralipid浓度(图8)。光谱的特征是相似的;减少散射频谱的振幅与intralipid浓度降低。摘要作为光散射在去离子水(图9)。


图8
减少散射和吸收系数intralipid浓度。

图9
降低了微气泡散射和吸收系数在去离子水稀释(没有intralipid)。

计算减少散射和吸收系数作为波长的函数为各种浓度IL的微气泡的缺失和存在数据所示10,11,12,13。改变的 和 实线引起的微气泡进行描述。intralipid幽灵的吸收系数测量的研究(图8)是高于那些在文献中报道:0.01(1 /厘米)在500纳米19]。这可能是由于积分球修正和失去了在测量光13]。失去的光被吸收,因此高估的一部分 。结果表明,两种 和 显著增加添加微气泡之后幻影intralipid解决方案为0.5%,1%,1.5%(数据10- - - - - -12)。减少与波长散射系数降低;在波长700 nm和长,吸收系数低于0.1。然而,intralipid浓度更高,固有光学特性没有显著不同的存在和缺乏微气泡(图13)。的吸收系数 和散射系数降低 增加微气泡的存在。散射系数的增长更显著(1.35折,3年来在300 nm和850 nm)相比,吸收系数(1.12折最大整个频谱)0.5% intralipid幻影。


图10
吸收系数( )和减少散射系数( )的稀释intralipid (IL),浓度0.5%,之前和之后添加Definity微气泡。

图11
吸收系数( )和减少散射系数( )的稀释intralipid (IL),浓度1%,之前和之后添加Definity微气泡。

图12
吸收系数( )和减少散射系数( )的稀释intralipid (IL),浓度1.5%,之前和之后添加Definity微气泡。

图13
吸收系数( )和减少散射系数( )的稀释intralipid (IL), 2%, 3%,和5%的浓度,添加前后Definity微气泡。

intralipid粒子散射和吸收的豆油和水。说,水是重要的光吸收的intralipid近红外光的波长范围超过950 nm范围超出了我们探索研究4]。发现红色和远红外的地区,水和大豆油为吸收在蓝色区域,吸收主要是由于大豆油(14]。

4所示。讨论和结论

中微气泡的存在scattering-mimicking组织幻影显著改变其光学性质在300 - 850 nm波长范围。散射系数增加生物组织内的微气泡的存在透明窗口,组织吸收很小(20.]。微气泡的固有光学特性影响组织phantom-both散射和吸收。微气泡引入了extrarefractive指数不匹配,增加散射事件的概率。光衰减事件的增加与微气泡的存在。添加微气泡的变化组织的固有光学特性幽灵不仅为散射也吸收。微气泡的影响在减少长波长的散射和吸收系数降低。此外,在更高浓度的intralipid(> 1.5%),添加摘要显著降低的影响。大多数生物组织的散射特性可以在intralipid近似浓度从0.5%到5.0% (12),这表明反向散射和反射的增强微气泡的存在(2.5% v / v)可能用于提高光学成像诊断。在对比度增强超声成像,大大取决于造影剂微泡造影剂剂量的特点和管理模式。微气泡可以管理通过浸泡或喷丸。丸注入是一个代理的交付在一个丸通常在几秒钟而不是注入长期代理交付和低流量(如盐水袋浸泡)。2.5%的剂量可能实现当微气泡通过喷丸(管理21]。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢卡尔博士Kumaradas、物理系、瑞尔森大学,多伦多,为他的建议和帮助,马丁•Hohmann埃尔兰根大学,德国为有用的讨论。作者欣然承认金融支持(部分)提供的瑞尔森大学健康研究格兰特,NSERC个人发现格兰特,加拿大和埃朗根在先进的光学技术(SAOT),研究生院和德国国家科学基金会(DFG),德国,在卓越计划的框架。由于是给基南研究中心路知识研究所的圣迈克尔医院,多伦多,和埃朗根研究生院先进光学技术(SAOT),德国埃尔兰根-纽伦堡大学。