Abstract
En rask heuristisk ratiometrisk analyse for å estimere vev hemoglobinkonsentrasjon og oksygenmetning fra målt vev diffuse reflektansspektra er presentert. Analysen ble validert i vev-ligne fantomer og brukes til kliniske målinger i hode og nakke, cervical og brystvev. Analysen arbeider i to trinn. Først ble en lineær ligning som oversetter forholdet for diffus reflektans ved 584 nm og 545 nm for å estimere vev hemoglobinkonsentrasjonen ved hjelp av en Monte Carlo-baserte oppslagstabellen utviklet. Denne ligning er uavhengig av vev spredning og oksygenmetning. For det andre ble oksygenmetningen beregnet ved hjelp av ikke-lineære ligninger logistikk som oversetter forholdet mellom den diffuse refleksjon spektra ved 539 nm til 545 nm inn i vevet oksygenmetning. Korrelasjoner koeffisientene til 0,89 (0,86), 0,77 (0,71) og 0,69 (0,43) ble oppnådd for vevet hemoglobinkonsentrasjon (oksygenmetning) verdier hentet ved hjelp av full spektral Monte Carlo og ratiometrisk analyse, for kliniske målinger i hode og nakke, bryst og cervical vev, henholdsvis. Den ratiometrisk analyse var mer enn 4000 ganger raskere enn den inverse Monte Carlo analyse for å estimere vev hemoglobinkonsentrasjon og oksygenmetning i simulerte fantom eksperimenter. I tillegg er den diskriminerende effekt av de to analysene var lignende. Disse resultatene viser potensialet i slike empiriske verktøy for raskt å estimere vev hemoglobin i sanntid spektral bildebehandlingsprogrammer
Citation. Hu F, Vishwanath K, Lo J, Erkanli A, Mulvey C, Lee WT, et al . (2013) Rapid Bestemmelse av oksygenmetning og vascularity for Cancer Detection. PLoS ONE 8 (12): e82977. doi: 10,1371 /journal.pone.0082977
Redaktør: Jonathan A. Coles, Glasgow University, Storbritannia
mottatt: 13 februar 2013; Godkjent: 01.11.2013; Publisert: 16.12.2013
Copyright: © 2013 Hu et al. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Finansiering:. Denne studien er støttet av National Institutes of Health gi no. 1R01EB011574-01A1,1 R21CA 108490-01A2 og 1R01CA 100559-05. (https://www.nih.gov/). Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere, eller utarbeidelse av manuskriptet
Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
Tallrike studier har vist at tidlig oppdagelse og behandling av oral og livmorhalskreft betydelig bedre overlevelse [1] – [8]. Diagnostikk av forstadier og kreft munnsår er det meste oppnådd gjennom visuell inspeksjon etterfulgt av biopsi av mistenkelige vev nettsteder. For livmorhalskreft screening, er Papanicolau test eller celleprøve standard vare. Hvis celleprøve er positiv, blir kolposkopi (visualisering av eddiksyren farget livmorhalsen med en lav kraft mikroskop) og biopsi utført. En effektiv kreft screening og diagnostikk programmet krever ofte både avanserte og dyre medisinske fasiliteter med godt trente og erfarne helsepersonell. I utviklingsland, men det er fravær av riktig medisinsk infrastruktur og ressurser til å støtte organisert screening og feilsøkingsprogrammer som er tilgjengelige i USA Det er derfor en kritisk globale behovet for en bærbar, enkel å bruke, pålitelig og lav pris enhet som raskt kan screene for oral og livmorhalskreft i lav ressursinnstillinger.
UV-synlig (UV-VIS) diffuse spektroskopi, som kan brukes til å måle vev absorpsjon og spredning, har vist potensial for tidlig diagnostisering av kreft i livmorhalsen og munnhule [9] – [24]. De absorpsjon og spredning koeffisientene epitelvev reflektere de underliggende fysiologiske og morfologiske egenskaper [25]. I UV-VIS band, de dominerende absorbenter i muntlige og cervical vev er oksygenrikt og deoxygenated hemoglobin, som følge av blodårer i stroma. Lysspredning er først og fremst forbundet med cellekjerner og organeller i epitel, samt kollagenfibre og krysskoblinger i stroma. Neoplastiske vev vise betydelige endringer i sine fysiologiske og morfologiske egenskaper som kan kvantifiseres optisk. Bidraget av absorpsjon i stromal laget er forventet å øke med neovaskularisering og angiogenese, og oksygenmetningen i blodårene er ventet å avta som neoplastisk vev outgrows sin blodtilførsel. Stromal spredning forventes å avta med neoplastisk progresjon på grunn av nedbrytning av ekstracellulære kollagen-nettverk. [11], [25] – [29]. Imidlertid er epitelial spredning forventes å øke på grunn av økt kjernefysisk størrelse, økt DNA-innhold, og hyperchromasia [25] – [27], [30]. UV-VIS diffus refleksjonsspektroskopi har en inntrengningsdybde som kan være innstilt for å være sammenlignbare med tykkelsen av epitellaget eller dypere for å undersøke både de epiteliale og stromale lag [17], [25], [31].
gruppe har utviklet en UV-VIS diffus refleksjonsspektroskopi system med en sonde geometri som er mest følsom overfor endringer i stroma og en skalerbar invers Monte Carlo (MC) reflektans modell for raskt å måle og kvantifisere vev optiske egenskaper, [32], [33]. Chang et al. [10] brukte spektroskopiske system og MC modell for å identifisere optiske biomarkører som varierer med ulike grader av livmorhalsen (CIN) fra normale cervical vev i 38 pasienter. Totalt hemoglobin ble funnet å være statistisk høyere i høygradig dysplasi sammenlignet med normal og lav karakter dysplasi (P 0,002), mens spredning ble betydelig redusert i dysplasi sammenlignet med normalt vev (P 0,002). Beumer et al. brukte samme UV-VIS diffus spektroskopi system i en
in vivo
klinisk studie hvor 21 pasienter med slimhinne plateepitelkarsinom i hode og hals ble evaluert [34]. Alle 21 pasienter gjennomgikk panendoscopy og biopsier ble tatt fra ondartede og kontralaterale normalt vev. Diffuse refleksjon spektra ble målt før biopsi. Den vaskulær oksygenmetning (SO
2) ble funnet å være statistisk høyere i maligne vev sammenlignet med ikke-ondartet vev (P = 0,001).
Den mest effektive strategien for forebygging av avansert livmorhals eller muntlig kreft i ressursbegrenset innstillinger er å se og behandle pasienten i en enkelt-besøk, slik at behovet for en multi-lagdelt system slik som i USA der screening, diagnostisering og behandling innebærer tre eller flere besøk til helseinstitusjon. For eksempel har retningslinjer er skrevet av Alliansen for forebygging av livmorhalskreft (APCC) på strategier for screening av livmorhalskreft i ressursbegrensede innstillinger [35]. Deres anbefaling er visuell inspeksjon med eddiksyre (VIA), etterfulgt av behandling av forstadier til kreft ved hjelp av kryoterapi (frysing) [36] – [38], som kan utføres av leger, sykepleiere eller jordmødre. En effektiv screening /diagnostiske strategi som kan gi rom for umiddelbar behandling intervensjon må være i stand til å kartlegge hele regionen av interesse. Videre bør påvisning strategien være minimalt påvirket av operatøren skjevhet eller subjektive tolkning av bilder hentet fra regionen av interesse. Vårt nåværende system muliggjør kvantitativ måling av vev fysiologiske endepunkter, men er begrenset til vurdering av lokaliserte områder av vev. For å kartlegge hele synsfeltet, er det viktig å skalere single-pixel fiberbasert system til en bildeplattform og utvikle algoritmer som kan kvantifisere disse spektrale bilder. Men utvikling av enkle bildesystemer krever en betydelig konsolidering av antall bølgelengder, slik at bilde spektrografer og bredbånds termiske kilder kan erstattes med enkle kameraer og lysdioder.
Målet med denne studien var å demonstrere en enkel ratiometrisk analyse for kvantifisering av vev SO
2 og total hemoglobinkonsentrasjon ([THb]) ved anvendelse av et lite antall bølgelengder i det synlige spektralområdet som en strategi for gjennomføring av hurtig overvåking av pre-kreft og kreft i en screening befolkningen i ressursbegrensede innstillinger. Flere tidligere publiserte studier har benyttet enkel proporsjonal analyser for å beregne [THb] eller SO
2 fra reflektansspektra. For eksempel har ratiometrisk analyse blitt utviklet for å ekstrahere SO
2 ved anvendelse av forholdene ved to bølgelengder, en hvor de lokale forskjeller mellom ekstinksjonskoeffisientene av oksy- og deoxy- hemoglobin er maksimal, og en isosbestic bølgelengde, der ekstinksjonskoeffisientene i oksy- og deoxy- hemoglobin er den samme. I en studie [39], ble forholdet mellom 431/420 beregnet og anvendt for å beregne SO
2. Men denne studien ikke hensyn til effekten av vev spredning. En annen studie [40] anvendes de optiske tetthet ved to isosbestic punkter, 520 og 546 nm, for å bestemme bidraget av spredning og bruke den optiske tetthet ved 555 og 546 nm for å ekstrahere SO
2 gjennom en lineær ligning. Men denne studien ikke utforske virkningen av endringer i [THb] på prosenter. Vår gruppe har tidligere utviklet en proporsjonal analyse [41] som beregner refleksjonsforhold på isosbestic bølgelengder av hemoglobin, og denne analysen var i stand til raskt å beregne [THb] uavhengig av vev spredning og SO
2. For denne ratiometrisk analyse, ble forholdet mellom intensitetene på en synlig bølgelengde (452, 500, eller 529 nm) til en ultrafiolett bølgelengde (390 nm) fra en diffusjonsrefleksjonsspektrum brukes til å trekke [THb] ved anvendelse av en lineær analytisk ligning. Dette ville imidlertid kreve at analysen en ultrafiolett kilde, noe som er forholdsvis dyre sammenlignet med allestedsnærværende synlig lys bølgelengde kilder. I dette manuskriptet, beskriver vi en enkel og analytisk ratiometrisk analyse for å trekke både [THb] og SO
2 i det synlige bølgelengdeområdet som løser begrensningene av tidligere arbeid av vår egen gruppe og andre. Den benytter to eller flere intensiteter ved forskjellige bølgelengder fra en diffusjonsrefleksjonsspektrum og beregner passende forhold fra dem. De avledede forhold blir så omdannet til [THb] eller SO
2 ved hjelp av analytiske ligninger. Vårt forslag til analyse benytter kun tre bølgelengder (539, 545 og 584 nm), alle i den synlige delen av spekteret der lysemitterende dioder (LED) er lett tilgjengelig. Vi testet også vår ratiometrisk analyse med full spektral MC simuleringer og eksperimentelle fantomer for å sikre minimal følsomhet for spredning. I tillegg utgjør vår ratiometrisk analyse også for [THb] ved beregning SO
2.
Metoder
Bølgelengder ble valgt fra 500 nm til 600 nm (synlige spekteret) for å utnytte relativt lavt priset lyskilder som lysdioder. I tillegg deoxy- og oksy-hemoglobin har forskjellige egenskaper absorpsjon i det synlige spektrum. Fem isosbestic bølgelengder og fem andre bølgelengder hvor forskjellen av utryddelse koeffisienter mellom deoxy- og oksygen-hemoglobin største ble brukt til å beregne [THb] og henholdsvis SO
2,. Tabell 1 viser disse bølgelengdene, som gir et totalt ti mulige kombinasjoner (par av isosbestic bølgelengder), ved hvilket forhold ble testet for utvinning av [THb] og 25 kombinasjoner bølgelengde ved hvilken refleksjonsforhold ble testet (en isosbestic og en maximal- forskjellen bølgelengde) for utvinning av SO
2.
Figur 1 kort gir en oversikt over den ratiometrisk analyse inkludert trinnene involvert i utvelgelsen av de beste forholdene for [THb] og SO
2. Uttak av [THb] og SO
2 ble oppnådd i to trinn. Først ble reflektansen forholdet består av isosbestic bølgelengder som brukes til å ekstrahere [THb]. Dette ble oppnådd ved å omdanne reflektans forholdet til [THb] ved anvendelse av en lineær ligning. For hver ratio på isosbestic bølgelengder, uavhengige sett med koeffisientene
m Hotell og
b
ble generert ved hjelp av MC simuleringer. Deretter ble den refleksjon forholdet på en isosbestic bølgelengde og en maksimal-forskjell bølgelengde omgjort til en SO
2 verdi ved hjelp av en ikke-lineær ligning ved hjelp av
α plakater (THB) og β (THB) koeffisienter. Disse koeffisientene ble generert ved hjelp av MC simuleringer for hver av de 25-refleksjonsforhold på hvert simulert [THb]. Det ekstraherte [THb] fra det første trinnet ble brukt til å velge den riktige ikke-lineære logistisk ligning for å omdanne forholdet mellom isosbestic til maksimum forskjell bølgelengde inn i SO
2 verdi. Etter ligninger for [THb] og SO
2 ble utviklet, ratiometrisk analyse ble validert med eksperimentelle vev ligne fantomer. For å vise den kliniske nytten av denne analysen og uavhengighet til endringer i instrumentering, ble utdrag med valgte forholdstall deretter sammenlignet med de som bruker den fulle spektrale MC analyse i tre forskjellige kliniske studier utført med ulike optiske systemer.
Generering analytiske oppslagstabeller for [THb] og SO
2 fra refleksjons ratios
analytiske ligninger for å konvertere passende forhold til [THb] og SO
2 verdier ble bestemt med fullt spektral MC simuleringer. Den fremre fulle spektrale MC modell [42] ble brukt til å generere 24805 unike diffus refleksjonsspektrene. Disse reflektansspektra tjente som simulert hovedsettet. Diffuse refleksjon spektra ble simulert ved å beregne absorpsjon og spredning spektrum mellom 350-600 nm. De absorpsjonskoeffisienter ble beregnet med utgangspunkt i at oksy- og deoksy-hemoglobin er de dominerende dempere i vev. Summen av disse to absorber konsentrasjonene ga det resulterende [THb], som ble variert mellom 5 og 50 uM i trinn på 0,1 pM i hovedsettet. Konsentrasjonen av hver hemoglobin arter ble variert for å strekke seg over området fra SO
2 verdier fra 0 til 1, i trinn på 0,1. De reduserte spredning koeffisientene, μ
s «, over spektralområdet ble bestemt ved hjelp av Mie teorien for 1 mikrometer polystyren mikrosfærer. Fem forskjellige spredningsnivåer ble generert ved å øke antall tettheten av sfære konsentrasjoner. Bølgelengde-gjennomsnitt (mellom 350~600 nm) bety reduserte spredning koeffisientene for disse fem spredning nivåene var 8,9, 13,3, 17,8, 22,2 og 26,6 cm
1. Den resulterende mester sett besto av 24 805 reflektansspektra, som representerer en kombinasjon av alle mulige [THB] nivåer, med alle SO
2 nivåer, og alle spredning nivåer (451 × 11 × 5 = 24805). Disse optiske egenskaper er lik de som ble brukt i vår tidligere studie [41]. Den simulerte reflektansspektra for master angitt er laget for en fast fiber sonde geometri, som tidligere beskrevet [42]. Til slutt ble en eksperimentelt målt diffusjonsrefleksjonsspektrum med den samme fiber-geometrien brukt som en «referanse» for å kalibrere omfanget av den simulerte spektra å være sammenlignbar med den i målte spektra.
For å studere virkningen på utvinning nøyaktigheten av ratiometrisk analyse med økende spektrale bandpasses, simulert vi ytterligere bandpasses i master settet. De reflektansspektra ble simulert for tre ulike bandpasses (2 nm, 3,5 nm og 10 nm i full bredde halv maksimum (FWHM) båndbredde) og resulterte i 3 modifiserte mester Diffus refleksjon sett (hver inneholder 24 805 spektra). Dette ble gjort ved å anta at hver bølgelengde har hatt en viss gaussisk båndpass med spesifisert FWHM. Nærmere bestemt ble reflektansen ved hver bølgelengde i det simulerte spektrum konvolvert med en gaussisk fordeling funksjon med den aktuelle båndpass. Ligninger for å omdanne reflektansmålinger til prosenter [THb] og SO
2 ble deretter samlet separat for hver av de tre båndpass-modifiserte stam diffus refleksjon spektral-apparater.
Figur 2 beskriver utviklingen av analytiske ligninger som brukes for å beregne [THb] og SO
2. A [THb] ratio, 584/545, og en SO
2 ratio, 539/545, er vist som eksempler. For [THb] ekstraksjon ble reflektansen forhold ved en gitt bølgelengde-pair beregnet fra hver simulert refleksjonsspektrum som hadde en fast [THb]. Således var det 55 verdier for et gitt [THb] bølgelengde-forhold (på tvers av 5 spredningsnivå og 11 SO
to nivåer). Elleve av disse verdiene ble beregnet på tvers av SO
2, for hvert sprednings nivå. For hver av de ti isosbestic bølgelengde-par, ble avhengighet av refleksjonsforhold på [THb] plottes på tvers av alle SO
2 nivåer og hvert scattering nivå, som vist i figur 2A. Selv om analysen besto av 5-50 uM [THb] i trinn på 0,1 uM, er bare 10 av de 451 [THB] nivåer er vist på figuren for lettere tolkning av datapunktene. Vi evaluerte avhengighet av reflektans-forholdet for en gitt bølgelengde-par på vev SO
2 og spredning. De horisontale feilfelt på hvert nivå spredning viser spredningen av reflektans-forholdet på grunn av varierende SO
2 nivåer fra 0 til 1. Dette reflekterer følsomheten av forholdet overfor endringer i SO
2. Spredningen i de forskjellige symboler ved hver [THb] reflekterer følsomhet av forholdet til spredning. De refleksjon forholdstall på hvert [THb] ble i gjennomsnitt over 5 spredning nivåer, og de 11 SO
2 nivåer, og en lineær analytisk ligning ble generert for de gjennomsnittlige forholdstall. Figur 2B viser lineære analytiske ligninger for 584/545, 584/570, 570/545, og 584/529 som eksempler
Skritt for beregning av analytiske ligninger:. (A) Skape refleksjon med ulike optiske egenskaper ved hjelp frem analyse og avledet Hb forholdstall. De horisontale feilfelt viser standardavviket av forholdene på SO
2 nivåer fra 0 til 1. Oppslagene er små fordi forholdene er utledet fra isosbestic poeng. (B) Eksempel lineære analytiske ligninger av 584/545, 584/570, 570/545 og 584/529 for [THb] estimering. (C) Beregning SO
2 forhold med flere spredning nivåer på en [THb] (D) Hill kurve ligninger ble generert på flere [THb] for hver SO
2 ratio. Bare 539/545 vises.
For å konvertere refleksjon forholdet beregnet på et gitt SO
2 bølgelengde-pair i en SO
2 verdi, en ikke-lineær logistikk ( Hill kurve) ligning ble anvendt. En unik Hill ligning ble generert for hver av de 451 [THb] (5-50 uM i 0,1 tilvekst trinn) i den modifiserte hovedsettet. Reflektansen ratio for en gitt SO
2 bølgelengde-par, ved en gitt [THb], ble fordelt på tvers av de fem sprednings nivåer (figur 2C). Dette resulterte i 11 gjennomsnitt forholdstall for hvert SO
2 bølgelengde par, i hvert [THb]. The Hill koeffisienter ble generert ved hjelp av de 11 gjennomsnittsforhold til den logistiske ligningen. Etter totalt 451 forskjellige [THB] verdier ble anvendt i simuleringene, ble 451 forskjellige ligninger generert for hvert SO
2 bølgelengde-par. Figur 2D viser eksempel figurer av Hill kurver generert fra de gjennomsnittlige forholdstall på ulike [THb] for 539/545.
Fastsettelse av de beste forholdene fra simulering og eksperimentelle fantomer
Totalt 8 sett med refleksjonsspektrene ble brukt for å validere den ratiometrisk analyse. De optiske egenskapene og innsamlingsparametre for disse 8 stiplede settene er sammenfattet i tabell 2. Phantom er 1-3 ble simulert med den skalerbare MC-modellen, som er beskrevet ovenfor. Fantom settene 4-8 ble eksperimentelt målte data, og har blitt beskrevet i detalj tidligere [41], [43]. Kort, Phantom Set fire besto av 51 fantomer med varierende SO
2 nivåer, men med en fast [THb] (14,8 mm), og μ
s «nivå (12,6 cm
1). Phantom Set 5 besto av to undergrupper av fantomer med lav spredning nivå (μ
s «= 13,5 cm
-1) og høy spredning nivå (μ
s» = 22,52 cm
-1) . Hvert sett i Phantom Set 5 besto av 4 fantomer. Hvert fantom i den lave spredningsnivået var forbundet med en med stiplede linjer i den høye spredning nivå og [THb] verdi av hver sammenkoblet fantom var den samme. Standardavviket av refleksjon for hver bølgelengde-par i hver sammenkoblet fantomer ble beregnet. Phantom Set 6 besto av 13 fantomer med økende [THb] 5,86 til 35,15 mikrometer. De gjennomsnitt μ
s «nivåer sunket for hver fantom 23,63 til 17,30 cm
1. Et annet instrument ble anvendt for å måle fantomene for Phantom sett 7 og 8 sett å validere instrument uavhengighet av den ratiometrisk analyse. Phantom Set 7 var lik Phantom Set 5 i at den inneholdt to sett med 4 fantomer med lav og høy spredning nivåer (μ
s «= 13,5 cm
-1 og 22,89 cm
-1 henholdsvis) og sammenkoblede fantomene fra hvert nivå inneholdt det samme [THb]. Standardavviket av refleksjon for hver bølgelengde-par i hver sammenkoblet fantomer ble også beregnet. Phantom Set 8 besto av 16 fantomer med økende [THb] 5-50 mikrometer. Den μ
s «nivået på hver fantom var lavere enn den forrige fantom, alt 28,56 til 17,02 cm
-1, på grunn av serielle fortynninger av phantom løsning. Kombinasjonen av alle disse eksperimentelle vev fantomer målt tjener til å bestemme de beste forholdene for å estimere [THb] og SO
2 for et bredt spekter av optiske egenskaper målt ved ulike instrumenter.
ratiometrisk analysen ble først testet på den simulerte reflektans. Lineære analytiske ligninger for [THB] forholdstall og ikke-lineære logistikk ligninger for SO
2 forholdstall ble samlet inn Phantom Stiller 1-3. De ekstraherte verdier av [THb] med den ratiometrisk analyse ble sammenlignet med de sanne verdier for hver diffusjonsrefleksjonsspektrum og den absolutte feil mellom de forutsagte og de sanne verdier ble beregnet. Deretter ble følsomheten for hver [THb] forhold til spredning beregnet ved bruk av standardavviket av reflektansen forholdet ved hver [THb].
Beregningen av [THb] med den ratiometrisk analyse ble også bekreftet med stiplede linjer sett 4-8. Siden hver refleksjon spektrum simulert ved å MC modell må skaleres med en kalibrering fantom, kan valget av den kalibrerende fantom innføre systematiske feil. Å ta hensyn til disse effektene på den utpakkede [THb], 3 forskjellige fantomer i Phantom Set 4, Set 6 og Set 8 og 2 forskjellige fantomer i sett 5 og 7 ble valgt som kalibrering fantomer. SO
2, [THb] og μ
s »av den kalibrerende fantomene er oppsummert i tabell 2. Hver gang en kalibrering fantom ble valgt ut, en ny master sett av reflektans ble generert med den skalerbare MC-modellen, og nye koeffisienter for analytiske ligninger ble generert fra disse fantom sett. De genererte analytiske ligninger ble brukt til å trekke på [THb] eller SO
2 verdier i de samme eksperimentelle fantom sett fra der kalibrerings fantomene ble valgt. Dette sikret at de systematiske feil eller titrering feil i en eksperimentell fantom studien ble begrenset til den samme eksperimentelle fantom studien og ble ikke fraktet til en annen eksperimentell fantom studien. Sonde geometrier og bandpasses for de simulerte mester settene ble matchet til den eksperimentelle systemet. Den ratiometrisk ekstrahert [THb] ble sammenlignet med MC ekstrahert [THb] av de eksperimentelle fantomene for hvert fantom i sett 4-8 for å beregne den absolutte feil. Forholdet sprer av de ti mulige isosbestic bølgelengde parene ble beregnet fra sammenkoblede fantomene i Set 5 og Set 7. beste forholdet for [THb] ble bestemt fra feil og forholdet spredt rangeringen både med de simulerte data og med eksperimentelle data.
ratiometrisk analyse for SO
2 ble validert i Phantom Set fire, som besto av fantomer med varierende SO
2 nivåer. For hver eksperimentell fantom i dette settet, ble [THb] først beregnet ved hjelp av beste isosbestic bølgelengde-pair med ratiometrisk analyse. Dette hentet [THb] ble så brukt til å velge de tilsvarende Hill kurve koeffisienter for et gitt SO
2 bølgelengde-pair. Den refleksjon Forholdet mellom hver SO
2 bølgelengde-paret ble først beregnet og deretter konvertert til en SO
2 verdi med de tilsvarende Hill kurve koeffisienter. Ratiometrisk de ekstraherte SO
2-verdiene ble sammenlignet mot de SO
2 verdier målt med et pO
to elektroder, som tidligere beskrevet [43]. Sensitivitetsberegninger for hver SO
2 forhold til spredning, de refleksjonsforhold for hver SO
2 bølgelengde-paret ble først beregnet i hvert fantom av Phantom Stiller 5 og Set 7. Standardavviket ble deretter beregnet fra hver paret refleksjon forholdstall for hvert SO
2 bølgelengde-pair siden bare spredningen var annerledes innenfor hver sammenkoblet fantom. De avledede standardavvik fra alle sammen fantom i Phantom Set 5 og Set 7 ble i gjennomsnitt for hver SO
2 bølgelengde-pair.
Instrumentering brukes i fantomer og kliniske studier
Tre instrumenter var brukes til å validere ratiometrisk analyse i dette manuskriptet. Instrument A ble brukt i eksperimentelle fantom studier (Set 4-6) og i en
in vivo
livmorhals studie [41], [43] [44]. Instrument B ble også brukt i de eksperimentelle fantom studier (Set 7-8), og også i
in vivo
livmorhals studie [44] og i en
in vivo
brystkreft studie [45 ]. Instrument C ble brukt for en
in vivo
hode og nakke kreft studien. Detaljene for Instrument A, B og C og sonde geometrier er tidligere blitt beskrevet [44] – [47]. Kort, Instrument A besto av en 450 W xenon (Xe) arc lampe (JY Horiba, Edison NJ), dobbelt eksitasjon monokromatorer (Gemini 180, JY HORIBA, Edison, New Jersey), og en Peltier kjølt open-elektrode charge-coupled enhet (CCD) (Symphony, JY Horiba, Edison, New Jersey) [45] [43] [44]. Instrument B var en fiber-koplede spektrofotometer (SkinSkan, JY Horiba, Edison, NJ), som besto av en 150 W Xe buelampe, en dobbel-grating eksitasjons monokromator, en utslipps monokromator, og en utvidet rød fotomultiplikatorrøret (PMT) [ ,,,0],44] [43]. Instrument C var et bærbart system, som besto av en 20 W halogenlampe (HL2000HP, Ocean Optics, Dunedin, Florida), varmefilter (KG3, Schott, Duryea, PA), og en USB-spektrometer (USB4000, Ocean Optics, Dunedin, FL) [47]. Belysning og samling for alle instrumentene ble oppnådd ved å koble til fiberoptiske sonder. Instrumentet parametere er oppført i figur 3.
Testing av ratiometrisk analyse med ulike sprednings krefter
Strøm lov (μ
s «=
en
· λ
–
b
) ble brukt til å modellere den reduserte sprednings koeffisientene der
en
bestemmer den totale omfanget av spredning, λ er bølgelengden, og
b
er spredning makt. Et nytt sett med 1500 reflektansspektra (10 [THB] nivåer, 5 SO
2 plan, og 10 forskjellige sprednings krefter med spredningsverdiene lik 2, 6 eller 10 cm
-1 ved 600 nm) var simulert med den fremre Monte Carlo modellen ved hjelp av spredningskoeffisienten genereres fra styrkelov. Den spredende kraft ble variert fra 0,2 til 2 med trinn på 0,2. Den [THb] var i området fra 5 til 50 uM i trinn på 5. SO
2-nivåer var område fra 0 til 1 med inkrement på 0,25. Tabell 3 oppsummerer de optiske egenskaper som brukes for å teste proporsjonal analyse med ulike sprednings krefter. Den [THb] og SO
2 ble hentet med ratiometrisk analyse for de beste forhold fastsatt i punkt 3.1. Den absolutte [THb] og SO
2 feil ble beregnet. I tillegg ble sprednings krefter kliniske data i dette manuskriptet beregnet ved å tilpasse Monte Carlo-utvunnet bølgelengde-avhengige spredning koeffisientene til scatter makt modell.
Sammenligning av hastigheten på MC og proporsjonal analyserer
å sammenligne beregnings ytelsen til ratiometrisk analyse og full spektral MC analyse for utvinning av [THb] og SO
2, 100 diffuse reflektansspektra med tilfeldig valgt [THb] og SO
2 verdier ble simulert med fremover MC-modell. Tilfeldig hvit støy ble også tilsatt til hver simulerte refleksjon spektrum før tilpasningsprosessen. Amplituden av den genererte tilfeldige støyen var begrenset til to prosent av forskjellen mellom den simulerte maksimums- og minimumsverdiene for hver refleksjon spektrum. Støynivået ble bestemt ut fra vår tidligere studie der verste SNR instrument A er 44.58 dB. Dette betyr at amplituden av støyen er omtrent to prosent av amplituden av signalet. Disse spektrene ble deretter analysert ved hjelp av både den inverse fulle spektrale MC analyse og ratiometrisk analyse. Den støtter proporsjonal analyser av disse prøvene brukes de beste forholdene som er beskrevet i de påfølgende deler av dette manuskriptet, for [THb] og SO
2. Den ekstraherte [THb] og så
2 verdier for hele spektral MC analyse og ratiometrisk analyse ble sammenlignet med de forventede (input) verdier og absolutte feil ble beregnet. Den databehandlingstiden for begge analysene ble også sammenlignet.
Klinisk validering
For å teste robustheten av ratiometrisk analyse i
in vivo
kliniske settinger, søkte vi ratiometrisk analyse i tre separate studier ble utført på tre forskjellige vev steder. Disse kliniske studier brukes diffuse spektroskopi for å skille normal versus ondartet eller forstadier vev
in vivo
i livmorhalsen [44], i brystet [45], og i hode og nakke [34]. Prøvene fra disse studiene representerer forskjellige optiske absorpsjonsegenskaper scenarier. Hode og nakke [34] og brystvev har relativt høy [THb] når livmorhalsen har [THb] verdiene ved den nedre ende av spekteret [44]. Områdene av [THb] fra våre tidligere resultater var 2.6-208.9 mikrometer, 0.79-63.7 um og 0,99 til 44,06 um, for hodet og nakke, bryst og cervical vev, henholdsvis. I tillegg inneholder brystvev ikke bare [THb], men også β-karoten som en ytterligere absorbator [45]. Data som tidligere samlet for de kliniske studiene og analysert med skalerbar fulle spektrale MC-analyse ble brukt for å evaluere ratiometrisk analyse. De studiedesign og protokoller av disse
in vivo
studier er beskrevet tidligere [44], [45]. Alle kliniske studier på dette manuskriptet ble gjennomgått og godkjent av Duke University School of Medicine Institutional Review Board. Skriftlig informert samtykke ble innhentet fra hver pasient i disse
in vivo
studier. Den gjennomsnitt diffusjonsrefleksjonsspektrum for hvert nettsted fra hver studie ble analysert med både den inverse fulle spektrale MC analyse og ratiometrisk analyse.
