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Indagine dei tumori gastrici in topi nudi con raggi X di imaging a contrasto di fase in-line

Indagine dei tumori gastrici in topi nudi con raggi X di imaging a contrasto di fase in linea
Abstract
sfondo
Questa carta è da segnalare la nuova di imaging dei tumori gastrici, senza l'uso di agenti di imaging. Entrambe le regioni normali gastrici e regioni del cancro gastrico possono essere distinti utilizzando l'analisi delle componenti principali (PCA) sulla base del livello di grigio matrice di co-occorrenza (GLCM).
Metodi
cancro gastrico umano BGC823 cellule sono state impiantate nello stomaco topi di nudi. Poi, 3, 5, 7, 9 o 11 giorni dopo l'impianto cellule tumorali, i topi nudi sono stati sacrificati e le loro stomaci sono stati rimossi. Raggi X di imaging in-line contrasto di fase (XILPCI), un metodo di imaging contrasto di fase a raggi X, ha un maggiore contrasto dei tessuti molli di radiografia assorbimento tradizionale e genera immagini ad alta risoluzione. I campioni gastrici sono stati ripresi dal dispositivo di un XILPCIs 'ad accoppiamento di carica (CCD) di 9 micron risoluzione dell'immagine. La PCA della regione di interesse (ROI) in base GLCM immagini proiettivi 'sono stati estratti a discriminare gastrici regioni normali e regioni cancro gastrico. Le varie fasi di tumori gastrici sono stati classificati utilizzando support vector machines (SVM).
Risultati
La radiografia in linea immagini contrasto di fase di topi nudi campioni gastrici mostrano chiaramente le architetture gastrici ed i dettagli del primo gastrica tumori. I tomografia a contrasto di fase computerizzata (TC) immagini di topi nudi campioni di cancro gastrico sono migliori rispetto alle immagini tradizionali assorbimento TC senza l'uso di agenti di imaging. I risultati della PCA dei parametri della texture sulla base di GLCM delle regioni normali è (F 1 + F 2) & gt; 8.5, ma quelli di regioni cancro è (F 1 + F 2) & lt; 8.5. La precisione di classificazione è 83,3% che la qualificazione campioni gastrici in diverse fasi utilizzando SVM.
Conclusioni
Questo è uno studio molto preliminare di fattibilità. Con ulteriori ricerche, XILPCI potrebbe diventare un metodo non invasivo per il futuro della diagnosi precoce dei tumori gastrici o ricerche mediche.
Parole
X-ray in linea di imaging a contrasto di fase a raggi X di imaging assorbimento cancro gastrico analisi delle componenti principali Support Vector Sfondo macchina
il cancro è la seconda principale causa al mondo di morbilità. il cancro gastrico è una delle più frequenti cause di morte per cancro in Asia [1]. La diagnosi precoce e il trattamento precoce dei tumori gastrici sono ancora al centro di prevenzione e trattamento del cancro. Raggi X tradizionale immagini dello scheletro umano fornisce immagini ad alta risoluzione, ma quella degli organi addominali umani è molto scarsa. Negli ultimi anni, un nuovo metodo di imaging, la radiografia di imaging a contrasto di fase in-line (XILPCI) è emersa. Questo metodo di imaging si basa principalmente sul fattore cambiamento di fase a raggi X dopo una radiografia passa attraverso gli oggetti. XILPCI dei tessuti molli fornisce una risoluzione spaziale micrometrica.
Diagnosi precoce del cancro dipende principalmente immagini radiografiche. Gli attuali metodi di esame di stomaco sono costituiti principalmente da CT [2-5], la risonanza magnetica (MRI) [4, 6], l'endoscopia [7, 8] e doppio contrasto a raggi X gastrointestinalgraphy gas di bario [9, 10]. La risoluzione di immagine di questi dispositivi è il millimetro scala. La risoluzione delle immagini che può essere raggiunto da X-ray imaging a contrasto di fase (XPCI) è in micron scala. Lo sfasamento dei raggi X è di circa 1000 volte maggiore della variazione nell'assorbimento. Attualmente, ci sono un certo numero di gruppi di ricerca internazionali che propongono vari metodi di imaging contrasto. Gli approcci più comunemente usati costruire sistemi XPCI comprendono raggi X interferometro [11-13], diffrazione Enhanced Imaging [14-16], XILPCI [17, 18] e X-ray reticolo interferometro [19].
Risoluzione spaziale esprime il potere di risolvere strutture fini. Risoluzione Densità (vale a dire, la risoluzione di contrasto) esprime differenze di densità sottili. Attualmente, la risoluzione spaziale di micro-CT è può raggiungere 2 micron [20] e micro-CT può distinguere una differenza di densità del tessuto di 0,01 g /cm 3 [21], ma la risoluzione di immagine di micro-CT è ancora al millimetro scala senza l'uso di agenti di imaging. RM fornisce una buona risoluzione di contrasto e risoluzione spaziale dei tessuti molli, ma la risoluzione delle immagini MRI è solo millimetro scala. La risoluzione spaziale è limitata dalla forza magnetica della risonanza magnetica ed è difficile aumentare ulteriormente.
Attualmente, la diagnosi precoce dei tumori gastrici è prevalentemente a carico di endoscopia ed è confermata da una biopsia. La risoluzione di immagine di endoscopia è di circa 0,56 millimetri [22]. I pazienti sentiva dolore nel processo di esame, e c'era il rischio di perforazione e sanguinamento
. Doppio contrasto a raggi X gastrointestinalgraphy Gas-bario è uno strumento clinico comune per valutare le condizioni gastrointestinali. CO 2-bario è più comunemente usato, a causa di una maggiore sicurezza e prezzo più basso. Prima dell'esame, alcune polveri aerogena vengono assunti per via orale da parte dei pazienti. Le reazioni tra le polveri secche non avrà luogo fino a che non incontrano l'acqua. Il tratto gastrointestinale sarà ampliato dal prodotto CO 2 gas. Dopo alcuni minuti, i pazienti assumono oralmente bario. Il 2-bario doppio imaging a raggi X contrasto CO può non solo fornire la visualizzazione ottimale di alterazioni della mucosa, ma valutare anche la funzione peristaltica intestinale [9]. Tuttavia, il metodo è vietato l'uso, quando un paziente è sospettato di perforazione gastrointestinale o completa ostruzione. La risoluzione dell'immagine è al millimetro scala. Nel processo di esame, i pazienti devono ricevere più di irraggiamento a raggi X. È lento di bario vuoto nel corpo del paziente dopo l'esame.
XILPCI è combinata con CT, che fornisce immagini basate sulla tomografia fase. contrasto di fase CT è anche conosciuto come diffrazione CT [23] ed è un metodo di imaging potenzialmente utile per tessuti molli senza l'uso di agenti di imaging. La risoluzione dell'immagine XILPCI dei tessuti molli può raggiungere 0,74 micron, senza l'uso di agenti di imaging. Aumenta la precisione del rilevamento e può essere usato per osservare lesioni precoce del cancro.
Metodi
Setup e campioni
topi nudi non possedere timo normali e hanno solo i resti del timo o anormale epiteliali del timo, che non può produrre Le cellule T di normale divisione del timo epiteliali. I linfonodi e linfociti della milza di topi nudi sono molto piccole, i topi così nudi sono animali che possiedono un minor numero di linfociti e topi nudi visualizzare anche pelle e capelli atrofia e cheratosi follicolare. In generale, topi nudi sono considerati il ​​modello genetico umano vicini tra animali da laboratorio per studiare malattie umane. Una varietà di tumori umani sono in genere in grado di sopravvivere in topi nudi. A causa della loro immunodeficienza, topi nudi non rifiutano tessuti di altri animali. Pertanto, essi possono essere utilizzati come destinatari del trapianto di tumori umani maligni.
Nel processo di pre-test, sia per simulare le condizioni fisiologiche delle stomaci umani e di ottenere immagini nitide, abbiamo trovato che l'immagine era molto chiaro per soddisfare le esigenze dei nostri esperimenti, quando abbiamo usato i campioni gastrici ripulito di residui di cibo e riempiti di aria. Pertanto, abbiamo deciso di utilizzare i campioni gastrici pieni d'aria per i restanti esperimenti.
I topi nudi erano di sesso femminile e del peso di circa 16 g nei nostri esperimenti. Un totale di 36 topi nudi sono stati divisi casualmente in 6 gruppi per i nostri esperimenti e ogni gruppo è di 6 topi nudi. Un gruppo è il mouse nudo gruppo normale, e gli altri 5 gruppi sono gruppi di mouse cancro gastrico nude. I topi nudi in topo gruppi cancro gastrico nude sono stati anestetizzati con una iniezione intraperitoneale di 0,72 mg (45 mg /kg) di sodio pentobarbital. Dopo che è stato anestetizzato, ogni topo nudo ricevuto una incisione trasversale nel suo addome. Lo stomaco è stato estruso, una incisione è stata fatta e gastrici cellule tumorali umane BGC823 [24] sono stati trapiantati nello stomaco nudo mouse. Poi, la ferita è stata suturata. Ogni operazione è durata circa 10 minuti. Dopo circa un'ora, il topo nudo si svegliò. Dopo l'impianto di cellule di cancro gastrico, 2 giorni sono stati autorizzati a passare per consentire possibili risposte immunitarie degli animali. Dopo 3, 5, 7, 9 o 11 giorni, i topi nudi sono stati sacrificati e gli stomaci dei topi nudi sono stati rimossi. Gli stomaci sono stati puliti e riempito in formalina. L'esofago e duodeno vicino allo stomaco sono stati separatamente capriate da sutura. I campioni gastriche sono stati fissati in una soluzione di formalina al 10%. Lo studio degli animali è stato approvato dal Comitato Etico animale da esperimento. La certificazione di qualità degli animali è Sheng Chan Xv Ke (SCXK Pechino) 2005-0004.
Principio di XILPCI
La radiazione di sincrotrone [25] è una radiazione elettromagnetica, in cui le particelle cariche sono accelerate a quasi la velocità della luce in un magnetica campo dalla forza di Lorentz si spostano a velocità variabile lungo la direzione rettilinei. Come fonte di luce, i suoi vantaggi sono evidenti: banda larga, alta collimazione, alta polarizzazione, elevata purezza, alta luminosità, impulso stretto ed alto coerenza. La radiazione di sincrotrone ha un alto grado di stabilità, throughput elevato e un diametro di micro-fascio.
Gli esperimenti XILPCI sono stati effettuati utilizzando la linea di luce BL13W1 dello strumento Shanghai Synchrotron Radiation (SSRF) [26]. La linea di luce BL13W1 prodotto principalmente immagini 2-dimensionali dei tessuti biologici usando XILPCI. L'impianto parziale BL13W1 linea di luce di SSRF è stato raffigurato come Figura 1. XILPCI è anche definito Fresnel diffrazione [27, 28] o di imaging a contrasto di fase coassiale. Nel 1995, A. Snigirev [29] utilizza una sorgente di luce di sincrotrone per ottenere immagini a contrasto di fase. Il metodo XILPCI non richiede coerenza temporale della sorgente luminosa. Può utilizzare fonti di luce multi-colore, eliminando quindi la necessità per la complessità oneroso del sistema monocromatico. Il metodo può usare direttamente micro-fuoco sorgenti di raggi X al posto di sorgenti di radiazione di sincrotrone. Questo vantaggio può rendere XILPCI adatto per la medicina clinica in futuro. Figura 1 L'immagine di BL13W1 linea di luce impianto parziale SSRF. 1. Una tabella multidimensionale campione. I provini sono immessi sul tavolo provino di ruotare e campioni sono stati ottenuti in diverse angolazioni. 2. Un CCD a raggi X. Ha ottenuto immagini proiettive esemplari 'ad alta risoluzione. 3. L'esatta rotaia di guida. Può controllare la distanza esatta dal CCD agli esemplari.
Quando una radiografia passa attraverso un esemplare, come nella normale ottica, l'indice di rifrazione complesso può essere usato per descrivere le loro caratteristiche. L'indice di rifrazione n è leggermente inferiore al numero di 1, può essere scritto come: n
=
1
-
δ
-

(1) Il vero δ componente rappresenta fase; e immaginario parte β rappresenta termine assorbimento. δ è associato alla fase fisica sezione spostamento P; e β è associato al coefficiente di assorbimento lineare del materiale μ. Il rapporto tra i due è il seguente: δ
=
ρ
e
r
e
λ
2
2
π
,
β =

μλ
4
π
(2) P =

2
πδ
λ
,
μ
=
4
πβ
λ
(3) λ è la lunghezza d'onda dei raggi X, ρ e è la densità di elettroni nel materiale, r e è un raggio di elettroni classica, e la loro dimensione è determinata dalla densità elettronica di strutture interne degli oggetti.
quando una radiografia passa attraverso l'oggetto, la fase e la variazione di ampiezza. Il cambiamento di fase è determinata dalla δ, e l'attenuazione ampiezza è determinata dal β. In raggi X, per elementi leggeri (come C, H, O, etc.) del materiale, δ è 1000 volte più β, quindi la quantità di cambiamento di fase è molto più grande della quantità di variazione dei raggi X attenuazione assorbimento . Quando una lunghezza d'onda dei raggi X è molto breve, per i materiali di assorbimento deboli, i piccoli cambiamenti di densità anche in grado di produrre grandi spostamenti di fase, ottenendo in tal modo un elevato contrasto di fase. La risoluzione spaziale delle immagini a contrasto di fase può raggiungere micron scala e una microstruttura fine di un oggetto può essere osservato.
Quando uniformi onde luminose intervenendo passano attraverso un oggetto superficie irregolare, generano inevitabilmente cambiamenti di fase, vale a dire la distorsione delle onde. Se le onde di distorsione continuano a diffondersi ad una certa distanza, le onde di distorsione interferiscono con le onde non distorsione. . In tal modo, si può concludere che l'ottenimento di immagini a contrasto di fase richiede una sorgente di luce coerente e opportune distanze dalla sorgente luminosa al modello e dal campione al rivelatore
Passi di XILPCI
metodi sperimentali specifici: il topi nudi campioni gastrici contenenti trapiantate cancro gastrico umano BGC823 cellule sono state prese fuori dal formalina, avvolti con materiali isolanti e immessi sul tavolo provino.
abbiamo scoperto che l'energia del fascio di raggi X di 13 keV era adatto per le esigenze esperimento di imaging, con noi ripetutamente debug energy X-ray. Si farà immagini troppo chiara se l'energia è superiore a 13 keV. Si farà aumentare il tempo di esposizione per immagini se l'energia è inferiore a 13 keV. Immagini diventerà scuro se il tempo di esposizione è troppo breve. Quando abbiamo aumentato il tempo di esposizione, ci sono voluti più tempo per girare più di 1000 immagini per CT ricostruzione delle immagini. campioni gastrici saranno guidati alla deformazione grave se il tempo di tiro è troppo lungo. Quindi 13 keV è un parametro ottimale di fattori globali. La distanza dalla fonte di luce al modello è la lunghezza dalla sorgente di raggi X SSRF al provino gastrici sul tavolo provino. La distanza era 59,3 m. Il rivelatore è stato dell'85 cm di distanza dal campione, con 9 micron risoluzione dell'immagine e il tempo di esposizione di 35-45 ms. Ci sono voluti circa 20 minuti per ottenere XILPCI immagini proiettive di 0,1 gradi passi dal grado di 0 a 180 di un campione gastrici.
Passi di raggi X di imaging assorbimento tradizionale in immagini assorbimento CT tradizionali di campioni di cancro gastrico sono stati fatti utilizzando SIEMENS Inveon Scanner e Inveon acquisizione Posto di lavoro con 1,5 service pack. campioni di cancro gastrico sono stati messi sul tavolo campione e parametri dell'esperimento sono stati debug in sala operatoria, al fine di soddisfare i requisiti di esperimento. La risoluzione minima di questa apparecchiatura è stato di 11 micron. L'energia dei raggi X era 80 keV e 400 μA. parametri energetici sono stati potenza massima dell'apparecchiatura. Un campione cancro gastrico è stato scansionato con rotazione di 360 °. E 'necessario 967 s per la scansione di un esemplare cancro gastrico e ricostruire immagini assorbimento CT, allo stesso tempo.
Metodo GLCM
Abbiamo usato la matrice 9 livello di grigio co-occorrenza (GLCM) caratteristiche consistenza del secondo momento angolare (ASM) , l'inerzia, inversa differenza momento (IDM), l'entropia, la correlazione, media sum (SA), media differenza (DA), somma entropia (SE), e la differenza di entropia (DE) [30]. Il GLCM è definito come C ij
angolare secondo momento formula:. T
1
=
Σ
i
=
0
K -
1
Σ
j =

0
< mi> K -
1
C
ij
2
(4) inerzia formula: T
2
=
Σ
i =

0
K -
1
Σ
j =

0
K -
1
I - Wooel.com j
2
C
IJ
(5) differenza Inverse momento formula: T
3
=
Σ
i =

0
K -
1
Σ
j
=
0
K -
1
1
1
+
< mi> I - Wooel.com j
2
C
ij
(6) entropia formula: T
4 =
-
Σ
i =

0
K -
1
Σ
j =

0
K -
1
C
ij
login
C
ij
(7) distribuzione marginale derivante da GLCM. c
x
i =

Σ
j =

0
K -
1
c
ij
(8) c
y
j
= Σ

i =

0
K -
1
c
IJ
(9) μ
x
, μ
y
, σ
x
, σ
y
rappresentano rispettivamente la media e la deviazione standard della distribuzione marginale
il scala di grigi e la somma probabilità di differenza tra i e j espresso specificare come segue:. c
x
+
y
k =

Σ
I
+
j =

< mi> k
c
ij
k =

0
,
1
< mo>,
2
,

,
2
K -
< mn> 2
(10) c
x -
y
k =

Σ
< mi> I - Wooel.com j =

k
c
ij
k
=
0
,
1
,
2
,

,
K
-
1
(11) Correlazione formula: T
5
= Σ

i =

0
K -
1
Σ
j =

0
K -
1
ij
C
ij
- PCA

Normal

3-days

5-days

7-days

9-days

11-days

F1
7.01

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