Assembly, characterization, and validation of a fluorescence lifetime rigid endoscope for clinical imaging of skin lesions

• Main Author: Rosa, Ramon Gabriel Teixeira
• Other Authors: Kurachi, Cristina
• Format: Others
• Language: en
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2018
• Subjects: Biofotônica; Biophotonics; FLIM; Microscopia; Microscopy
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76132/tde-04062018-104844/

Fluorescence based microscopy techniques have been extensively used in biological sciences. The most common approach is the steady-state fluorescence microscopy. Although the said approach is powerful, it often lacks sensitivity to detect several biochemical processes that may indicate relevant conditions of biological tissues. The fluorescence dynamics analysis not only brings intrinsic information about the tissue, but is also less sensitive to the medium scattering and absorption, and sometimes capable of distinguishing between fluorescent structures with indistinguishable spectra. The intrinsic fluorescence lifetime of biological tissues is usually affected by some clinical conditions, especially when those conditions cause or are correlated with metabolic modifications. Time-resolved spectroscopy techniques can be used to detect those modifications and may be used as a tool to improve the detection and diagnosis rate of such conditions. Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) combines the temporal resolution and the microscopy concept, so fluorescence lifetime images can be generated. This technique has a great potential for clinical applications since it may be able to detected lesions and delineate its borders. However, FLIM usually demands a more sophisticated instrumentation than most techniques based on the steady-state approach, what creates a difficulty for moving such a system to a clinical setting. We report the assembly, characterization, validation, and clinical application of a multispectral FLIM system featuring a handheld probe composed of a laser scanning rigid endoscope. The assembled system uses a 355 nm short pulsed laser as excitation and has three spectral channels, targeting the emission of collagen, NADH, and FAD, which are important endogenous fluorophores. The system acquires images of 8.65 x 8.65 mm2 areas in ~ 2.4 s. MATLAB codes were written to process the images using a biexponential model and a modified phasor approach. In vivo validation measurements of tumors induced in mice were performed. The system was also validated with in vivo imaging of skin of healthy volunteers. The assembled FLIM system was moved to Hospital Amaral Carvalho, where we performed a pilot clinical study, in which different types of skin lesions were imaged in vivo in a clinical setting. A significant contrast was achieved on seborrheic keratosis, Bowen´s disease, and sclerodermiform basal cell carcinoma tumors. These results indicate the potential of this technique for clinical imaging of skin lesions. === Técnicas de microscopia baseadas em fluorescência têm sido extensamente utilizadas em ciências biológicas. A abordagem mais comum se baseia na microscopia de fluorescência de estado estacionário. Apesar de poderosa, essa abordagem frequentemente não apresenta sensibilidade suficiente para detectar diversos processos bioquímicos que podem ser indicadores de relevantes problemas em tecidos biológicos. A análise da dinâmica da fluorescência não apenas trás informações intrínsecas sobre o tecido, mas também é menos sensível a espalhamento e absorção pelo meio, além de ser capaz de distinguir entre estruturas fluorescentes com espectros indistinguíveis em alguns casos. O tempo de vida intrínseco de tecidos biológicos é normalmente afetado por condições clínicas, especialmente quando estas condições causam ou são relacionadas a modificações metabólicas. As técnicas de espectroscopia resolvidas no tempo podem detectar essas modificações e podem ser utilizadas como uma ferramenta para melhorar a detecção e o diagnóstico dessas condições. A Microscopia de Tempo de Vida de Fluorescência (FLIM) combina a resolução temporal ao conceito de microscopia, de forma que imagens de tempos de vida de fluorescência podem ser gerados. Essa técnica tem um grande potencial para aplicações clínicas uma vez que ela pode ser capaz de detectar lesões e delinear suas bordas. No entanto, FLIM requer uma instrumentação muito mais sofisticada do que a maior parte das técnicas baseadas no estado estacionário, o que cria uma dificuldade para que tais sistemas possam ser levados a ambientes clínicos. Nós reportamos a montagem, caracterização, validação e aplicação clínica de um sistema FLIM multiespectral com uma sonda manual composta de um endoscópio rígido de varredura laser. O sistema montado utiliza um laser pulsado de 355 nm como fonte de excitação e conta com três canais espectrais, visando a emissão do colágeno, do NADH e do FAD, três importantes fluoróforos endógenos. O sistema é capaz de adquirir imagens de áreas de 8,65 x 8,65 mm2 em ~ 2,4 s. Códigos em MATLAB foram escritos para processar as imagens usando um modelo biexponencial e uma abordagem modificada dos fasores. Medidas in vivo de tumores induzidos em camundongos foram realizadas para validação do sistema. O sistema também foi validado com a realização de medidas in vivo da pele de voluntários sadios. O sistema montado foi levado ao Hospital Amaral Carvalho, onde realizamos um teste clínico piloto no qual diferentes tipos de lesões de pele foram imageados in vivo em um ambiente clínico. Um contraste significante foi alcançado em tumores de queratose seborreica, doença de Bowen e carcinoma basocelular esclerodermiforme. Esses resultados indicam o potencial desta técnica para o imageamento clínico de lesões de pele.