Abstract

We demonstrate a method for differentiating tissue disease states using the intrinsic texture properties of speckle in optical coherence tomography (OCT) images of normal and tumor tissues obtained in vivo. This approach fits a gamma distribution function to the nonlog-compressed OCT image intensities, thus allowing differentiation of normal and tumor tissues in an ME-180 human cervical cancer mouse xenograft model. Quantitative speckle intensity distribution analysis thus shows promise for identifying tissue pathologies, with potential for early cancer detection in vivo.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
    [CrossRef]
  2. V. Tuchin, Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis (SPIE, 2007).
  3. J. M. Schmitt, S. H. Xiang, and K. M. Yung, J. Biomed. Opt. 4, 95 (1999).
    [CrossRef]
  4. K. W. Gossage, T. S. Tkaczyk, J. J. Rodriguez, and J. K. Barton, J. Biomed. Opt. 8, 570 (2003).
    [CrossRef]
  5. S. Tunis, G. J. Czarnota, A. Giles, M. D. Sherar, J. W. Hunt, and M. C. Kolios, Ultrasound Med. Biol. 31, 1041 (2005).
    [CrossRef]
  6. G. Farhat, V. X. D. Yang, G. J. Czarnota, and M. C. Kolios, J. Biomed. Opt. 16, 026017 (2011).
    [CrossRef]
  7. A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
    [CrossRef]
  8. Y. Mao, C. Flueraru, S. Chang, D. P. Popescu, and M. G. Sowa, Opt. Commun. 284, 2622 (2011).
    [CrossRef]
  9. H. Shimazaki and S. Shinomoto, Neural Comput. 19, 1503 (2007).
    [CrossRef]
  10. J. A. Rice, Mathematical Statistics and Data Analysis (Duxbury Resource Center, 2007).
  11. C. Allain and M. Cloitre, Phys. Rev. A 44, 3552 (1991).
    [CrossRef]
  12. M. Joiner and A. van der Kogel, eds., Basic Clinical Radiobiology. (Hodder Arnold, 2009).

2012

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

2011

Y. Mao, C. Flueraru, S. Chang, D. P. Popescu, and M. G. Sowa, Opt. Commun. 284, 2622 (2011).
[CrossRef]

G. Farhat, V. X. D. Yang, G. J. Czarnota, and M. C. Kolios, J. Biomed. Opt. 16, 026017 (2011).
[CrossRef]

2007

H. Shimazaki and S. Shinomoto, Neural Comput. 19, 1503 (2007).
[CrossRef]

2005

S. Tunis, G. J. Czarnota, A. Giles, M. D. Sherar, J. W. Hunt, and M. C. Kolios, Ultrasound Med. Biol. 31, 1041 (2005).
[CrossRef]

2003

K. W. Gossage, T. S. Tkaczyk, J. J. Rodriguez, and J. K. Barton, J. Biomed. Opt. 8, 570 (2003).
[CrossRef]

R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
[CrossRef]

1999

J. M. Schmitt, S. H. Xiang, and K. M. Yung, J. Biomed. Opt. 4, 95 (1999).
[CrossRef]

1991

C. Allain and M. Cloitre, Phys. Rev. A 44, 3552 (1991).
[CrossRef]

Allain, C.

C. Allain and M. Cloitre, Phys. Rev. A 44, 3552 (1991).
[CrossRef]

Anderson, G.

R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
[CrossRef]

Barton, J. K.

K. W. Gossage, T. S. Tkaczyk, J. J. Rodriguez, and J. K. Barton, J. Biomed. Opt. 8, 570 (2003).
[CrossRef]

Bu, J.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Chang, S.

Y. Mao, C. Flueraru, S. Chang, D. P. Popescu, and M. G. Sowa, Opt. Commun. 284, 2622 (2011).
[CrossRef]

Chen, Y.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Cloitre, M.

C. Allain and M. Cloitre, Phys. Rev. A 44, 3552 (1991).
[CrossRef]

Conroy, L.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Czarnota, G. J.

G. Farhat, V. X. D. Yang, G. J. Czarnota, and M. C. Kolios, J. Biomed. Opt. 16, 026017 (2011).
[CrossRef]

S. Tunis, G. J. Czarnota, A. Giles, M. D. Sherar, J. W. Hunt, and M. C. Kolios, Ultrasound Med. Biol. 31, 1041 (2005).
[CrossRef]

DaCosta, R. S.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Etzioni, R.

R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
[CrossRef]

Farhat, G.

G. Farhat, V. X. D. Yang, G. J. Czarnota, and M. C. Kolios, J. Biomed. Opt. 16, 026017 (2011).
[CrossRef]

Flueraru, C.

Y. Mao, C. Flueraru, S. Chang, D. P. Popescu, and M. G. Sowa, Opt. Commun. 284, 2622 (2011).
[CrossRef]

Giles, A.

S. Tunis, G. J. Czarnota, A. Giles, M. D. Sherar, J. W. Hunt, and M. C. Kolios, Ultrasound Med. Biol. 31, 1041 (2005).
[CrossRef]

Gossage, K. W.

K. W. Gossage, T. S. Tkaczyk, J. J. Rodriguez, and J. K. Barton, J. Biomed. Opt. 8, 570 (2003).
[CrossRef]

Hartwell, L.

R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
[CrossRef]

Hill, R. P.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Hunt, J. W.

S. Tunis, G. J. Czarnota, A. Giles, M. D. Sherar, J. W. Hunt, and M. C. Kolios, Ultrasound Med. Biol. 31, 1041 (2005).
[CrossRef]

Jaffray, D. A.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Kolios, M. C.

G. Farhat, V. X. D. Yang, G. J. Czarnota, and M. C. Kolios, J. Biomed. Opt. 16, 026017 (2011).
[CrossRef]

S. Tunis, G. J. Czarnota, A. Giles, M. D. Sherar, J. W. Hunt, and M. C. Kolios, Ultrasound Med. Biol. 31, 1041 (2005).
[CrossRef]

Leung, M. K. K.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Lindsay, P. E.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Maeda, A.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Mao, Y.

Y. Mao, C. Flueraru, S. Chang, D. P. Popescu, and M. G. Sowa, Opt. Commun. 284, 2622 (2011).
[CrossRef]

McIntosh, M.

R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
[CrossRef]

Mintzberg, S.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Morikawa, L.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Popescu, D. P.

Y. Mao, C. Flueraru, S. Chang, D. P. Popescu, and M. G. Sowa, Opt. Commun. 284, 2622 (2011).
[CrossRef]

Radich, J.

R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
[CrossRef]

Ramsey, S.

R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
[CrossRef]

Reid, B.

R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
[CrossRef]

Rice, J. A.

J. A. Rice, Mathematical Statistics and Data Analysis (Duxbury Resource Center, 2007).

Rodriguez, J. J.

K. W. Gossage, T. S. Tkaczyk, J. J. Rodriguez, and J. K. Barton, J. Biomed. Opt. 8, 570 (2003).
[CrossRef]

Schmitt, J. M.

J. M. Schmitt, S. H. Xiang, and K. M. Yung, J. Biomed. Opt. 4, 95 (1999).
[CrossRef]

Schwartz, S.

R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
[CrossRef]

Sherar, M. D.

S. Tunis, G. J. Czarnota, A. Giles, M. D. Sherar, J. W. Hunt, and M. C. Kolios, Ultrasound Med. Biol. 31, 1041 (2005).
[CrossRef]

Shimazaki, H.

H. Shimazaki and S. Shinomoto, Neural Comput. 19, 1503 (2007).
[CrossRef]

Shinomoto, S.

H. Shimazaki and S. Shinomoto, Neural Comput. 19, 1503 (2007).
[CrossRef]

Sowa, M. G.

Y. Mao, C. Flueraru, S. Chang, D. P. Popescu, and M. G. Sowa, Opt. Commun. 284, 2622 (2011).
[CrossRef]

Tkaczyk, T. S.

K. W. Gossage, T. S. Tkaczyk, J. J. Rodriguez, and J. K. Barton, J. Biomed. Opt. 8, 570 (2003).
[CrossRef]

Tsao, J.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Tuchin, V.

V. Tuchin, Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis (SPIE, 2007).

Tunis, S.

S. Tunis, G. J. Czarnota, A. Giles, M. D. Sherar, J. W. Hunt, and M. C. Kolios, Ultrasound Med. Biol. 31, 1041 (2005).
[CrossRef]

Urban, N.

R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
[CrossRef]

Virtanen, C.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Vitkin, I. A.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Wang, Y.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Winegarden, N. A.

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Xiang, S. H.

J. M. Schmitt, S. H. Xiang, and K. M. Yung, J. Biomed. Opt. 4, 95 (1999).
[CrossRef]

Yang, V. X. D.

G. Farhat, V. X. D. Yang, G. J. Czarnota, and M. C. Kolios, J. Biomed. Opt. 16, 026017 (2011).
[CrossRef]

Yung, K. M.

J. M. Schmitt, S. H. Xiang, and K. M. Yung, J. Biomed. Opt. 4, 95 (1999).
[CrossRef]

J. Biomed. Opt.

J. M. Schmitt, S. H. Xiang, and K. M. Yung, J. Biomed. Opt. 4, 95 (1999).
[CrossRef]

K. W. Gossage, T. S. Tkaczyk, J. J. Rodriguez, and J. K. Barton, J. Biomed. Opt. 8, 570 (2003).
[CrossRef]

G. Farhat, V. X. D. Yang, G. J. Czarnota, and M. C. Kolios, J. Biomed. Opt. 16, 026017 (2011).
[CrossRef]

Nat. Rev. Cancer

R. Etzioni, N. Urban, S. Ramsey, M. McIntosh, S. Schwartz, B. Reid, J. Radich, G. Anderson, and L. Hartwell, Nat. Rev. Cancer 3, 243 (2003).
[CrossRef]

Neural Comput.

H. Shimazaki and S. Shinomoto, Neural Comput. 19, 1503 (2007).
[CrossRef]

Opt. Commun.

Y. Mao, C. Flueraru, S. Chang, D. P. Popescu, and M. G. Sowa, Opt. Commun. 284, 2622 (2011).
[CrossRef]

Phys. Rev. A

C. Allain and M. Cloitre, Phys. Rev. A 44, 3552 (1991).
[CrossRef]

PLoS One

A. Maeda, M. K. K. Leung, L. Conroy, Y. Chen, J. Bu, P. E. Lindsay, S. Mintzberg, C. Virtanen, J. Tsao, N. A. Winegarden, Y. Wang, L. Morikawa, I. A. Vitkin, D. A. Jaffray, R. P. Hill, and R. S. DaCosta, PLoS One 7, e42133 (2012).
[CrossRef]

Ultrasound Med. Biol.

S. Tunis, G. J. Czarnota, A. Giles, M. D. Sherar, J. W. Hunt, and M. C. Kolios, Ultrasound Med. Biol. 31, 1041 (2005).
[CrossRef]

Other

V. Tuchin, Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis (SPIE, 2007).

J. A. Rice, Mathematical Statistics and Data Analysis (Duxbury Resource Center, 2007).

M. Joiner and A. van der Kogel, eds., Basic Clinical Radiobiology. (Hodder Arnold, 2009).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

Histograms of the OCT image pixel intensity distribution in a 64×190 pixel (210μm×630μm) ROI region for (a) normal and (b) Me180 tumor tissue 17 days after tumor implantation. The mean α/β parameter was found by fitting the distribution with the gamma function [Eq. (1)], with the line of fit shown in blue. The mean α/β parameter values were found to be 9.08×104 and 3.94×104 for the normal and tumor tissue, respectively.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) B-mode image of normal to tumor tissue (left to right) transition region of a mouse 17 days postinjection of tumor cells. The 64×190 pixel ROI box is blue and its sliding region is shown by the white lines. The image field of view is 1.32mm×3mm (depth×width). (b) The variation of the mean α/β parameter as a function of the center of the sliding ROI in (a).

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Plot of the α/β ratio from ROIs of 52 images of varying origin: 25 normal, 25 tumor, and 2 transition regions of a mouse 17 days postinjection of tumor cells. The ROI used for the image analysis was 64×190 pixels and at a depth of 100 pixels below the top of the WC, as before. (b) Bar plot of the average α/β mean parameter from normal and tumor tissue. The error bars are ±1 SD from the mean.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

f(x,α,β)=1Γ(α)βαxα1eβx.

Metrics