University of Cyprus. Φασματοσκοπία Οπτικής Σκέδασης

Transcript

1 University of Cyprus Biomedical Imaging and Applied Optics Φασματοσκοπία Οπτικής Σκέδασης (Light Scattering Spectroscopy)

2 Εισαγωγή LSS Πως ξεκίνησε; Ποιο είναι το πρόβλημα; Γαστρεντερολόγοι Χρειάζεται επί τόπια (in situ) ανίχνευση του καρκίνου σε πραγματικό χρόνο (real-time) Πρέπει να είναι συμβατή με τα ενδοσκόπια Κατά προτίμηση μη-επεμβατική (οπτική ανίχνευση του καρκίνου με ένα μαγικό λέιζερ;) Πρέπει να είναι οικονομικά προσιτή και φιλική προς τον χρήστη Οπτική Βιοψία (Optical Biopsy): Με επεμβατική ανίχνευση του Optical biopsy Surgical biopsy καρκίνου με φως 2

3 Εισαγωγή Οπτική Βιοψία Μη επεμβατική (Noninvasive) Οπτική Ανίχνευση Συμβατή με τα ενδοσκόπια Μέσω οπτικών ινών Διάγνωση Οπτική φασματοσκοπία Διάφορες φασματοσκοπίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διάγνωση στους ιστούς με φως Αυτοφθορισμός (Auto-fluorescence) Φθορισμός από εξωγενή φάρμακα (Exogenous-drug fluorescence) Raman Απορρόφηση (Absorption) & FTIR Ελαστική Σκέδαση (Elastic scattering) The internist's dream: smart colonoscope Smart Spectrometer t Illumination source (magic laser) Optical biopsy 3

4 Τι ψάχνουν οι ιστοπαθολόγοι; Τι βλέπουν οι ιστοπαθολόγοι; Δομικές (Architectural) αλλαγές Χαρακτηριστικά του καρκίνου Σχήμα του κυττάρου Σχήμα του πυρήνα (nucleus) Λόγος πυρήνα ως προς τον ολικό όγκο του κυττάρου Κατανομή της χρωματίνης (Chromatin) Δομή των οργανιδίων Πολυμορφισμό (PLEOMORPHISM) (παραλλαγές στο πυρηνικό μέγεθος και την πυκνότητα του DNA) Πυκνότητα και κατανομή των κυττάρων Αυτή η πληροφορία παρέχεται από δεδομένα ελαστικής οπτικής μεταφοράσς (elastic opticaltransport data) Ελαστική Σκέδαση Ανάκλαση / Μετάδοση Απορρόφηση Ελαστική Σκέδαση Φασματική και γωνιακή εξάρτηση του φωτός από το μέγεθος και τη δομή των σωματιδίων της σκέδασης Normal cells Cancer cells 4

5 Θεωρία Mie Gustav Mie, 1908 Σωματίδια μεγέθους όμοιου ή μεγαλύτερου του μήκους κύματος Γιατί μεταβάλλεται το φάσμα της σκέδασης ανάλογα με τη μικροσκοπική μορφολογία των ιστών; E S S E ( ) e jk r z s 2 3 i E = jkr S S E s 4 1 i At some distance away from the particle: 2 I S2 0 s I i = constant 2 I s 0 S 1 I i S 1 = S 2 = q q 2q +1 q(q +1) (a qπ q + b q τ q ) 2q +1 q(q +1) (a qτ q + b q π q ) a q and b q are complex expressions invoking spherical Bessel functions π q and τ q are defined as 1 P n and = dp n π n = τ n sinθ dθ 1 Steven Jacques, Oregon Graduate Center where P n1 is the Legendre polynomial 5

6 Θεωρία Mie Αν πραγματικά σας αρέσουν τα μαθηματικά j n = spherical Bessel functions x = α = 2πn o a/λ the size parameter h (1) n = spherical Hankel functions m= N i /N o = n i /n o if no absorp. [F(x)] means differentiation with respect to the argument Bohren & Huffman, Absorption and Scattering lf Light by Small Particles, Wiley Science 6

7 Φασματοσκοπία Οπτικής Σκέδασης Εξάρτηση ως προς μήκος κύματος Η διατομή σκέδασης των πυρήνων παρουσιάζει μια περιοδικότητα ως προς το μήκος κύματος ( δ λ) ( δ λ) 2 π 2 sin 2 / sin / σ λ l l s (, ) = δ / λ δ / λ δ = πl( n 1) n n c Scattering on nuclei Epithelium όπου n c είναι ο δείκτης διάθλασης του κυτταροπλάσματος n n είναι ο δείκτης διάθλασης των πυρήνων ως προς το κυτταρόπλασμα. Connective Tissue Perelman et al. Phys Rev Let 80: (1998); Backman et al. Nature 406: (2000) 7

8 Φασματοσκοπία Οπτικής Σκέδασης Εξάρτηση ως προς μήκος κύματος Με διάχυτη δά ανάκλαση, όλα τα μεγέθη σωματιδίων φαίνονται λευκά 0.033μm 0.3μm 0.5μm 2.9μm 4.5μm 9.6μm 9.9μm 8

9 Φασματοσκοπία Οπτικής Σκέδασης Εξάρτηση ως προς μήκος κύματος Όταν d Περίοδος ταλάντωσης Χαρακτηριστικά Περίοδος κορυφών μέγεθος σκεδαστή Πλάτος διαμόρφωσης αριθμός των σκεδαστών Πιο συχνά μείγμα από σκεδαστές Υπέρθεση (Superposition) φασμάτων Normalized Q backsc d=1 μm d=2 μm d=4 μm Wavelength (nm) 9

10 Φασματοσκοπία Οπτικής Σκέδασης Εξάρτηση ως προς μήκος κύματος broadband polarized illumination polarization-resolved detection normal colon cells cancerous cells Perelman et al. Phys Rev Let 80: (1998); Backman et al. Nature 406: (2000) 10

11 Φασματοσκοπία Οπτικής Σκέδασης Αντίθεση (Contrast) από πόλωση (Polarization) ation) Διαχωρίζει μονή από πολλαπλή σκέδαση Sq. metaplasia parallel perpendicular HSIL Polarizer Analyzer wavelength (nm) 0.15 Cells Diffusive Layer wavelength (nm) 11

12 Αρχές απεικόνισης με LSS Polarizer Mirror Source Filters CCD Beam Splitter Analyzer Tissue 12

13 Αρχές απεικόνισης με LSS λ λ λ n λ n 3 3 λ λ 2 λ 1 λ 1 λ 2 I I I I λ λ n 3 λ 2 λ 1 ΔI pixel 25 x 25 μm ng Signal Backscatteri Wavelegth, nm d, σ, n 13

14 Αρχές απεικόνισης με LSS Απεικόνιση με LSS Αδενώματος του Παχέως Εντέρου (Colon Adenoma) Αύξηση του όγκου των πυρήνων mm Enlarged Nuclei, % Adenoma mm Morphometry LSS d, normal 5.6 ± ± 0.13 σ, normal d, adenoma 7.44 ± ± 0.40 σ, adenoma Normal Backman et al. Nature Medicine 7: ,

15 Φασματοσκοπία Οπτικής Σκέδασης Εξάρτηση από τη γωνία λ =0.630 μm σκέδασης d 0 6 Η κατανομή ως προς τη γωνία έχει και αυτή συμβολομετρική (ταλαντωτική) συμπεριφορά Όταν d Περίοδος ταλάντωσης d n 2 n 1 Normaliz zed Magnitud de of Scatterin ng d =0.6 μm d =1.2 μm d =2.4 μm Angle (deg) 15

16 Γωνιακή (Angular) Απεικόνιση με LSS Source Filter Polarizer Beam Splitter CCD f f Polarizer Tissue 16

17 Γωνιακή Απεικόνιση με LSS Μελέτες με γωνιακή LSS: Πειράματα σε κύτταρα T84 Normal Mesothelial Cells Tumor T84 Cells N(d) ~ d - β, β = 2.7 vs. 2.2 Cell Nuclei Morphometry LSS, a.u. LSS signal, , a.u. LSS signal, Mean diameter, μm Standard deviation, μm wavelength, nm wavelength, nm Fitting parameter β = 2.7 Fitting parameter β = 2.2 Backman et al. IEEE J Sel Top Quant Electron, 7: 887:893,

18 Περίληψη LSS Η αντίθεση στη LSS προέρχεται από: Πόλωση: μονή ή πολλαπλή σκέδαση Γωνία: μικροί ή μεγάλοι σκεδαστές Φάσμα: μέγεθος και δείκτης διάθλαση σκεδαστών Προτερήματα: Ισχυρό σήμα πιο απλός και φθηνός εξοπλισμός Ευαισθησία ως προς σημαντικά μόρια που δεν φθορίζουν (π.χ. αιμοσφαιρίνη (hemoglobin)) Ευαισθησία τόσο ως προς τη δομή όσο και προς τη βιοχημική σύσταση Μπορεί να διαχωρίσει διάφορους ιστούς Μειονεκτήματα: Μπορεί να μην είναι ευαίσθητη στις ανεπαίσθητες βιοχημικές αλλαγές που προηγούνται των δομικών αλλαγών. 18

19 Παράδειγμα απλού συστήματος LSS spectrometer Light source 19

20 Καθετήρες (probes) οπτικών ινών 20

21 Οπτική Βιοψία Καρκίνου του Μαστού Εφαρμογή #1: Βλί Βελτίωση της αξιοπιστίας και την ικανότητα της διαδερμικής διάγνωση βελόνα (αύξηση του όγκου της ευαισθησίας σε σχέση με FNA). Εφαρμογή #2: Διάγνωση σε πραγματικό χρόνο και επί τόπου των περιθωρίων του όγκου κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης με διατήρηση του μαστού Εφαρμογή #3: Αξιολόγηση σε πραγματικό χρόνο και επί τόπου του «φρουρού» λεμφαδένα ( sentinel lymph node) κατά τη διάρκεια της χειρουργικής ργ επέμβασης. 21

22 Οπτική Βιοψία Καρκίνου του Μαστού Ανατομία του Μαστού Πολύπλοκη δομή Ανομοιογενής (Heterogeneous) Ορμονικός (Hormonal) έλεγχος Αλλαγές με την ηλικία Διάφορα είδη κυττάρων 22

23 Οπτική Βιοψία Καρκίνου του Μαστού Κακοήθειες του Μαστού Ductal Lobular Medullary Mucinous Comedo Paget s disease Metaplastic Tubular 23

24 Οπτική Βιοψία Καρκίνου του Μαστού Φάσματα από ιστούς του μαστού Normal Tumour Fibroadenoma

25 Οπτική Βιοψία Καρκίνου του Μαστού Φρουρός λεμφαδένας (s entinel lymph node) Βιοψία SLN έχει ως στόχο να προσδιορίσει ρ την ανάγκη εκτεταμένης χειρουργικής επέμβασης στη μασχάλη Οι ασθενείς που χρειάζονται περαιτέρω χειρουργική ργ επέμβαση μπορεί να χρειαστεί να υποβληθούν σε ξεχωριστή χειρουργική επέμβαση Οι τρέχουσες τεχνικές για να εξετάσει του SLN κατά τη διάρκεια της επέμβασης δεν είναι πρακτικές 25

26 Οπτική Βιοψία Καρκίνου του Μαστού Φάσματα από φρουρό λυμφαδένα ve Node -ve Node

27 Πρωτοβάθμια Φροντίδα Υγείας Οι γιατροί πρωτοβάθμιας περίθαλψης έχει κακή ακρίβεια στον προσδιορισμό ορ σ του πότε όενα παραπέμψουν έναν ασθενή στον σο ειδικό 27