Undersøkelse av mage kreft i nakne mus ved hjelp av X-ray in-line fase kontrast bildebehandling

Undersøkelse av mage kreft i nakne mus ved hjelp av X-ray in-line fase kontrast bildebehandling
Abstract
Bakgrunn
Denne artikkelen er å rapportere den nye bilde av magekreft uten bruk av kontrastmidler. Begge mage normale regioner og magekreft regioner kan skilles ved hjelp av prinsipal komponent analyse (PCA) basert på den grå nivå samtidig forekomst matrise (GLCM).
Metoder
Menneskelig magekreft BGC823 celler ble implantert i magen på nakne mus. Deretter, 3, 5, 7, 9 eller 11 dager etter kreftceller implantering, de nakne mus ble avlivet og magen ble fjernet. Røntgen in-line fasekontrastavbildning (XILPCI), en røntgenfasekontrast avbildningsmetode, har større bløtvev kontrast enn tradisjonelle absorpsjon radiografi og genererer høyere oppløsning. Mage prøvene ble fotografert av en XILPCIs 'charge coupled device (CCD) av 9 mikrometer bildeoppløsning. PCA av projektive bilder 'region av interesse (Rois) basert på GLCM ble trukket ut til å diskriminere mage normale regioner og magekreft regioner. Ulike stadier av mage kreft ble klassifisert ved hjelp støtte vektor maskiner (SVMer).
Resultater
X-ray in-line fase kontrast bilder av nakne mus mage prøvene viser tydelig mage arkitekturer og detaljene i tidlig mage kreft. De fasekontrast computertomografi (CT) bilder av nakne mus magekreft prøvene er bedre enn de tradisjonelle absorpsjon CT-bilder uten bruk av kontrastmidler. Resultatene fra PCA av teksturparametrene basert på GLCM av normale områder er (F 1 + F 2) > 8.5, men de av kreft regioner er (F 1 + F 2) < 8,5. Klassifiseringen nøyaktighet er 83,3% at klassifisere mage prøver i forskjellige stadier ved hjelp SVMer.
Konklusjoner
Dette er en svært foreløpige mulighetsstudie. Med ytterligere undersøkelser, kan XILPCI bli en ikke-invasiv metode for fremtidig tidlig deteksjon av mage kreft eller medisinske forskere.
Nøkkelord
X-ray in-line fase kontrast bildebehandling X-ray absorpsjon bildebehandling Magekreft Prinsipal komponent analyse Support vektor maskin Bakgrunn
Kreft er verdens nest største årsaken til sykelighet. Magekreft er en av de hyppigste årsakene til kreft-relaterte dødsfall i Asia [1]. Tidlig oppdagelse og tidlig behandling av mage kreft er fortsatt i fokus for kreft forebygging og behandling. X-ray tradisjonell avbildning av menneskelig skjelett gir bilder med høy oppløsning, men at av de menneskelige abdominal organer er svært dårlig. I de senere årene har en ny avbildningsmetode, røntgen in-line fase kontrast imaging (XILPCI) dukket opp. Denne avbildningsmetoden er hovedsakelig basert på røntgenfaseendring faktor etter en røntgen passerer gjennom stedene. XILPCI av mykt vev gir mikrometer romlig oppløsning.
Deteksjon Tidlig kreft avhenger i hovedsak av røntgenfotografering. De aktuelle undersøkelsesmetoder av magene består i hovedsak av CT [2-5], magnetisk resonans imaging (MRI) [4, 6], endoskopi [7, 8] og gass-barium dobbel kontrast X-ray gastrointestinalgraphy [9, 10]. Bildeoppløsningen av disse enhetene er på millimeter-skalaen. Bildeoppløsningen som kan oppnås ved X-ray fase kontrast imaging (XPCI) er på mikron-skala. Røntgenfaseforskyvning er ca. 1000 ganger større enn endringen i absorpsjon. For tiden er det en rekke internasjonale forskergrupper foreslår ulike kontrastavbildningsmetoder. De mest brukte tilnærmingene bygge XPCI systemer inkluderer X-ray interferometer [11-13], diffraksjon forbedret bildebehandling [14-16], XILPCI [17, 18] og X-ray grating interferometer [19].
Romoppløsning uttrykker makt til å løse gode strukturer. Tetthet oppløsning (dvs. kontrastoppløsning) behandler forskjeller subtile tetthet. Foreløpig er den romlige oppløsningen av mikro-CT har du nå to mikrometer [20] og mikro-CT kan skille en vevstetthet forskjell på 0,01 g /cm 3 [21], men bildeoppløsning på mikro-CT er fortsatt på millimeter-skala uten bruk av kontrastmidler. MR gir god kontrast oppløsning og romlig oppløsning av mykt vev, men MR bildeoppløsning er bare på millimeter-skalaen. Den romlige oppløsningen er begrenset av den magnetiske styrken på MR og er vanskelig å øke ytterligere.
Foreløpig er tidlig diagnose av magekreft i hovedsak avhengig av endoskopi, og det bekreftes av en biopsi. Bildeoppløsningen av endoskopi er ca 0,56 mm [22]. Pasienten følte smerte i prosessen for undersøkelse, og det var fare for perforering og blødning.
Gass-barium dobbel kontrastrøntgen gastrointestinalgraphy er et vanlig klinisk verktøy for å vurdere gastrointestinale tilstander. CO 2-barium er mest brukt, på grunn av høyere sikkerhet og lavere pris. Før undersøkelsen, er noen aerogenic pulver tas oralt av pasienter. Reaksjoner mellom de tørre pulver vil ikke finne sted før de møter vann. Mage-tarmkanalen vil bli utvidet med den produserte CO 2 gass. Etter noen få minutter, pasientene ta oralt barium. CO 2-barium dobbel kontrastrøntgenstråle-avbildning kan ikke bare gi optimal visualisering av slimhinne abnormaliteter, men også vurdere den intestinale peristaltiske funksjon [9]. Imidlertid er forbudt metoden å bruke når det er mistanke om en pasient av gastrointestinal perforasjon eller komplett obstruksjon. Bildeoppløsningen er på millimeter-skalaen. I prosessen med eksamen, må pasientene får flere røntgen bestrålinger. Det er treg å tømme barium i kroppen til pasienten etter eksamen.
XILPCI er kombinert med CT, som gir bilder basert på fase tomografi. Fasekontrast CT er også kjent som diffraksjon CT [23] og er et potensielt nyttig avbildningsmetode for mykt vev uten bruk av kontrastmidler. Den XILPCI oppløsning av mykt vev kan nå 0,74 um uten bruk av kontrastmidler. Det øker nøyaktigheten av søket og kan brukes til å observere tidlige kreft lesjoner.
Metoder
Setup og prøver
Nude mus ikke har normale thymuses og bare har thymus rester eller unormal thymus epitel, som ikke kan produsere T-celler fra normal tymus epitelial næring. Lymfeknuter og milt lymfocytter av hårløse mus er veldig små, så hårløse mus er dyr innehar færre lymfocytter og hårløse mus også vise hud og hår atrofi og follikulær keratose. Generelt er nakne mus anses å være den nærmeste humane genetiske modell hos forsøksdyr for å studere menneskelige sykdommer. En rekke humane kreftformer er generelt i stand til å overleve i nakne mus. På grunn av deres immunsvikt, trenger nakne mus ikke avvise vev fra andre dyr. Derfor kan de bli anvendt som mottakere for transplantering av ondartede humane kreftformer.
I pre-testprosessen, både for å simulere de fysiologiske betingelsene for den menneskelige magene og for å oppnå klare bilder, har vi funnet at bildet var meget klar for å oppfylle kravene i våre eksperimenter, når vi brukte gastriske prøvene renset ut av matrester og er fylt med luft. Derfor bestemte vi oss for å bruke luftfylte mage prøver for de resterende forsøkene.
Den hårløse mus var kvinner og veier ca 16 g i våre eksperimenter. I alt 36 nakne mus ble tilfeldig delt inn i 6 grupper for eksperimenter og hver gruppe er 6 nakne mus. En gruppe er naken mus normal gruppe, og de andre 5 grupper er naken mus magekreft grupper. Den nakne mus til nakne mus magekreft grupper ble bedøvet med en intraperitoneal injeksjon av 0,72 mg (45 mg /kg) pentobarbitalnatrium. Etter at det ble bedøvet, hver naken mus fikk en tverrgående snitt i buken. Magen ble ekstrudert, et innsnitt ble gjort og humant gastrisk kreft BGC823 celler [24] ble transplantert inn i naken mus magen. Deretter ble såret sydd. Hver operasjon varte i ca 10 minutter. Etter omtrent en time, naken mus våknet. Etter implantasjon av magekreftceller, ble 2 dager tillates å passere for å tillate eventuelle dyr immunresponser. Etter 3, 5, 7, 9 eller 11 dager, ble nakne mus avlivet og magene på nakne mus ble fjernet. Magesekkene ble renset og fylt i formalin. Spiserøret og tolvfingertarmen nær den magen ble separat fagverkskonstruksjon av sutur. De gastriske prøver ble fiksert i en 10% formalinoppløsning. Den dyrestudie ble godkjent av den eksperimentelle dyreetikk komiteen. Kvaliteten sertifisering av dyr er Sheng Chan Xv Ke (SCXK Beijing) 2005-0004.
Prinsippet om XILPCI
Synkrotronstråling [25] er elektromagnetisk stråling der ladde partikler blir akselerert til nesten lysets hastighet i et magnetisk felt av Lorentz kraft når du flytter på variabel hastighet langs sporet tangent retning. Som en lyskilde, dens fordeler er åpenbare: brede bånd, høy kollimasjon, høy polarisasjon, høy renhet, høy lysstyrke, smal puls og høy koherens. Synkrotronstråling har en høy grad av stabilitet, høy gjennomstrømning og en mikro-bjelke diameter.
Den XILPCI Forsøkene ble utført ved hjelp av BL13W1 beamline av Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) [26]. Den BL13W1 beamline produseres hovedsakelig to-dimensjonale bilder av biologisk vev ved hjelp XILPCI. Den BL13W1 beamline delvis innretningen av SSRF ble avbildet som figur 1. XILPCI er også betegnet Fresnel diffraksjon [27, 28] eller koaksial fase kontrast bildebehandling. I 1995 A. Snigirev [29] brukte en synkrotron lyskilde for å få fase kontrast. Den XILPCI metoden krever ikke tidsmessig sammenheng på lyskilden. Den kan bruke flerfarge lyskilder, således eliminere behovet for den tyngende kompleksiteten i den monokrome systemet. Metoden kan direkte bruke mikro-fokus røntgenkilder i stedet for synkrotronstråling kilder. Denne fordelen kan gjøre XILPCI egnet for klinisk medisin i fremtiden. Figur 1 Bildet av BL13W1 beamline delvis innretningen av SSRF. 1. En flerdimensjonal prøven bord. Prøvene plasseres på prøvebordet å rotere, og prøvene ble oppnådd i forskjellige vinkler. 2. En X-ray CCD. Den fikk eksemplarer 'projektive bilder med høy oppløsning. 3. Den nøyaktige styreskinne. Den kan kontrollere den nøyaktige avstanden fra CCD til prøvene.
Når en X-ray går gjennom en prøve, som i vanlige optiske, kan den komplekse brytningsindeks som brukes til å beskrive deres egenskaper. Brytningsindeksen n er en litt mindre enn antall 1, kan skrives som: n
=
1
-
δ
-
iβ product: (1) Den virkelige komponenten δ representerer fase; og imaginær del β representerer absorpsjon sikt. δ er forbundet med fysisk faseforskyvningsseksjon P; og β er forbundet med den lineære absorpsjonskoeffisient materiale μ. Forholdet mellom dem er som følger: δ
=
ρ
e
r
e
λ
2
2
π
, etter β
=
μλ
4
π plakater (2) P
=
2
πδ
λ
, etter μ
=
4
πβ
λ plakater (3) λ er røntgenstråle-bølgelengden, ρ e er elektrontettheten i materialet, r e er en klassisk elektron radius, og deres størrelse er bestemt av elektrontettheten av objektenes innvendige strukturer.
Når en X-ray går gjennom objektet, sin fase og amplitude endring. Faseendring bestemmes av δ, og amplitude dempning bestemmes av β. I røntgenstråler, for lettere elementer (for eksempel C, H, O, etc.) av materialet, er δ 1000 ganger mer enn β, slik at faseendringsstørrelse er mye større enn den endringsstørrelse av røntgenstråle-absorpsjon dempning . Når en X-ray bølgelengden er meget kort, for svake absorberende materiale, de små endringer i tetthet også kan produsere store faseforskyvninger og derved høy fasekontrast. Den romlige oppløsning av fasekontrastavbildning kan nå mikrometer-skala og en meget fin mikrostruktur av et objekt kan observeres.
Når enhetlige mellomliggende lysbølgene passere gjennom en ujevn overflate objekt, de uunngåelig genererer faseforandringer, nemlig bølger 'forvrengning. Hvis forvrengningsbølger fortsetter å spre seg til en viss avstand, vil forvrengnings bølgene interferere med de ikke-forvrengning bølger. . Dermed kan det konkluderes med at skaffe fase kontrast bilder krever en koherent lyskilde og passende avstander fra lyskilden til prøven og fra prøven til detektoren
trinnene XILPCI
Spesifikke eksperimentelle metoder: den nakne mus gastriske prøver som inneholder transplantert human magekreft BGC823 celler ble tatt ut fra formalin, pakket med isolerende materiale og plassert på prøvebordet.
Vi fant at røntgenstråleenergi på 13 keV var egnet for avbildning eksperiment krav, gjennom vi gjentatte feilsøkt X-ray energi. Det vil gjøre bildene for lett hvis energi er høyere enn 13 keV. Det vil gjøre bildeeksponeringstiden øker hvis energi er lavere enn 13 keV. Bildene vil bli mørkt hvis eksponeringstiden er for kort. Når vi økt eksponering tid, det tok oss lengre tid til å skyte mer enn 1000 bilder for CT-bilde gjenoppbygging. Gastric prøvene vil bli ført til alvorlige deformasjoner hvis shoot tiden er for lang. Så 13 keV er en optimal parameter av helhetlige faktorer. Avstanden fra lyskilden til prøven er lengden fra SSRF røntgenkilde til de gastriske prøven på prøvebordet. Avstanden var 59,3 m. Detektoren var 85 cm avstand fra prøven, med 9 pm bildeoppløsning og eksponeringstid på 35-45 ms. Det tok ca 20 minutter å få XILPCI projektive bilder med 0,1 grader skritt fra graden fra 0 til 180 av en mage prøven.
Steps av X-ray tradisjonelle absorpsjon bildebehandling
Tradisjonelle absorpsjon CT-bilder av magekreft prøvene ble gjort ved å bruke SIEMENS Inveon Skannere og Inveon Oppkjøp arbeidsplassen med 1.5 service Pack. Magekreft prøvene ble satt på prøve bordet og parametere for eksperimentet ble feilsøkt i drift rom for å møte eksperiment krav. Minste oppløsning av dette utstyret var 11 mikrometer. Energien av X-ray var 80 keV og 400 uA. Energi parametre har vært utstyrets maksimal effekt. En magekreft prøven ble skannet ved å rotere 360 ​​°. Det trengs 967 s for å skanne et magekreft prøven og rekonstruere absorpsjon CT-bilder samtidig.
GLCM metode
Vi brukte ni grå nivå co-forekomst matrise (GLCM) teksturegenskaper for kantete andre øyeblikk (ASM) , treghet, invers forskjell øyeblikk (IDM), entropi, korrelasjon, sum gjennomsnitt (SA), forskjell gjennomsnitt (DA), sum entropi (SE), og differansen entropi (DE) [30]. Den GLCM er definert som C ij
Vinkel andre øyeblikk formel:. T
1
=
Σ
i
=
0
K -
1
Σ
j
=
0
K -
1
C
ij
to plakater (4) Inertia formel: T
2
=
Σ
i
=
0
K -
1
Σ
j
=
0
K -
1
i -
j
2
C
ij product: (5) Inverse forskjell øyeblikk formel: T
3
=
Σ
i
=
0
K -
1
Σ
j
=
0
K -
1
1
1
+
i -
j
2
C
ij product: (6) Entropy formel: T
4
= -
Σ
i
=
0
K -
1
Σ
j
=
0
K -
1
C
ij
logg
C
ij product: (7) Marginal distribusjon avledet fra GLCM. c
x
i
=
Σ
j
=
0
K -
1
c
ij product: (8) c
y
j
=
Σ
i
=
0
K -
1
c
ij product: (9) μ
x
, μ
y
, σ
x
, σ
y
henholdsvis representerer gjennomsnittet og standardavviket for den marginale fordelingen
spesifisere gråtoner og sannsynligheten summen av differansen mellom i og j express som følger:. c
x
+
y
k
=
Σ
i
+
j
=
k
c
ij
k
=
0
, etter 1
, etter 2
, etter ⋯
, etter 2
K -
to plakater (10) c
x -
y
k
=
Σ
i -
j
=
k
c
ij
k
=
0
, etter 1
, etter 2
, etter ⋯
, etter K
-
1 product: (11) korrelasjon formel: 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 Både forfattere lese og godkjent den endelige manuskriptet.

• Alvorlige mage variceal blødning på grunn av miltarterien blodpropp og påfølgende arteriell bypass
• BRCA1 grunnlegger mutasjoner bidrar ikke til økt risiko for magekreft i den polske population