Summary
We rapporteren een co-geregistreerd echografie- en fotoakoestisch beeldvormingsprotocol voor de transvaginale beeldvorming van ovariële / adnexale laesies. Het protocol kan waardevol zijn voor andere translationele fotoakoestische beeldvormingsstudies, met name die met behulp van commerciële ultrasone arrays voor de detectie van fotoakoestische signalen en standaard delay-and-sum beamforming-algoritmen voor beeldvorming.
Abstract
Eierstokkanker blijft de dodelijkste van alle gynaecologische maligniteiten vanwege het gebrek aan betrouwbare screeningsinstrumenten voor vroege detectie en diagnose. Fotoakoestische beeldvorming of tomografie (PAT) is een opkomende beeldvormingsmodaliteit die de totale hemoglobineconcentratie (relatieve schaal, rHbT) en bloedzuurstofverzadiging (% sO2) van ovariële / adnexale laesies kan bieden, die belangrijke parameters zijn voor de diagnose van kanker. In combinatie met co-geregistreerde echografie (VS) heeft PAT een groot potentieel aangetoond voor het detecteren van eierstokkankers en voor het nauwkeurig diagnosticeren van ovariumlaesies voor een effectieve risicobeoordeling en de vermindering van onnodige operaties van goedaardige laesies. PAT-beeldvormingsprotocollen in klinische toepassingen variëren echter, voor zover wij weten, grotendeels tussen verschillende onderzoeken. Hier rapporteren we een transvaginaal beeldvormingsprotocol voor eierstokkanker dat gunstig kan zijn voor andere klinische studies, vooral die met behulp van commerciële ultrasone arrays voor de detectie van fotoakoestische signalen en standaard delay-and-sum beamforming-algoritmen voor beeldvorming.
Introduction
Fotoakoestische beeldvorming of tomografie (PAT) is een hybride beeldvormingsmodaliteit die de optische absorptieverdeling meet met Amerikaanse resolutie en diepten ver boven de optische diffusielimiet van het weefsel (~ 1 mm). In PAT wordt een nanoseconde laserpuls gebruikt om biologisch weefsel te exciteren, waardoor een voorbijgaande temperatuurstijging ontstaat als gevolg van optische absorptie. Dit leidt tot een initiële drukstijging en de resulterende fotoakoestische golven worden gemeten door Amerikaanse transducers. Multispectrale PAT omvat het gebruik van een instelbare laser of meerdere lasers die op verschillende golflengten werken om het weefsel te verlichten, waardoor de reconstructie van optische absorptiekaarten op meerdere golflengten mogelijk wordt. Op basis van de differentiële absorptie van zuurstofrijk en zuurstofarm hemoglobine in het nabij-infrarood (NIR) venster, kan multispectrale PAT de verdelingen van zuurstofrijke en gedeoxygeneerde hemoglobineconcentraties, de totale hemoglobineconcentratie en de bloedzuurstofverzadiging berekenen, die allemaal functionele biomarkers zijn die verband houden met tumorangiogenese en bloedoxygenatieconsumptie of tumormetabolisme. PAT heeft succes geboekt in veel oncologische toepassingen, zoals eierstokkanker 1,2, borstkanker 3,4,5, huidkanker6, schildklierkanker 7,8, baarmoederhalskanker9, prostaatkanker10,11 en colorectale kanker12.
Eierstokkanker is de dodelijkste van alle gynaecologische maligniteiten. Slechts 38% van de eierstokkankers wordt gediagnosticeerd in een vroeg (gelokaliseerd of regionaal) stadium, waar de 5-jaarsoverleving 74,2% tot 93,1% is. De meeste worden in een laat stadium gediagnosticeerd, waarvoor de 5-jaarsoverleving 30,8% of minderis 13. Huidige klinische diagnosemethoden, waaronder transvaginale echografie (TUS), Doppler US, serumkankerantigeen 125 (CA 125) en humaan epididymumeiwit 4 (HE4), blijken gevoeligheid en specificiteit te missen voor vroege diagnose van eierstokkanker 14,15,16. Bovendien kan een groot deel van de goedaardige ovariumlaesies moeilijk nauwkeurig te diagnosticeren zijn met de huidige beeldvormingstechnologieën, wat leidt tot onnodige operaties met verhoogde zorgkosten en chirurgische complicaties. Er zijn dus aanvullende nauwkeurige niet-invasieve methoden voor de risicostratificatie van adnexale massa's nodig om het beheer en de resultaten te optimaliseren. Het is duidelijk dat een techniek nodig is die gevoelig en specifiek is voor eierstokkanker in een vroeg stadium en nauwkeuriger is in het identificeren van kwaadaardige van goedaardige laesies.
Onze groep heeft een co-geregistreerd transvaginaal US en PAT-systeem (USPAT) ontwikkeld voor de diagnose van eierstokkanker door een klinisch Amerikaans systeem, een op maat gemaakte sondemantel te combineren om de optische vezels voor lichtafgifte te huisvesten en een instelbare laser1. De totale hemoglobineconcentratie (relatieve schaal, rHbT) en de bloedzuurstofverzadiging (%sO2) afgeleid van het USPAT-systeem hebben een groot potentieel aangetoond voor de detectie van eierstokkanker in een vroeg stadium en voor het nauwkeurig diagnosticeren van ovariumlaesies voor effectieve risicobeoordeling en de vermindering van onnodige goedaardige laesieoperaties 1,2. Het huidige systeemschema is weergegeven in figuur 1 en het controleblokdiagram is weergegeven in figuur 2. Deze strategie heeft het potentieel om te worden geïntegreerd in bestaande TUS-protocollen voor de diagnose van eierstokkanker en tegelijkertijd functionele parameters (rHbT, %sO2) te bieden om de gevoeligheid en specificiteit van TUS te verbeteren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Al het uitgevoerde onderzoek werd goedgekeurd door de Washington University Institutional Review Board.
1. Systeemconfiguratie: Optische verlichting (figuur 1)
- Gebruik een Nd:YAG laser die een gepulseerde, instelbare (690-890 nm) Ti-saffierlaser op 10 Hz pompt.
- Breid de laserstraal uit door de straal eerst te divergeren met een plano-concave lens en vervolgens de straal te collimeren met een plano-convexe lens. Gebruik twee spiegels om de straal op een bundelsplitser te richten (hieronder beschreven).
- Splits de uitgebreide laserstraal in vier stralen met gelijke energie door de oorspronkelijke straal in tweeën te splitsen met een polariserende bundelsplitser en vervolgens de twee stralen te splitsen met nog twee tweedetraps bundelsplitsers.
- Monteer vier multi-mode optische vezels met fiber chucks.
- Gebruik vier plano-convexe lenzen om de vier laserstralen in de vier vezels te richten.
- Bedek vanwege laserveiligheidsoverwegingen alle optische componenten onder een metalen doos om ervoor te zorgen dat het optische pad niet wordt blootgesteld.
- Bevestig de andere uiteinden van de vier vezels aan de transvaginale ultrasone sonde en omsluit de sonde en de vezels in een beschermende omhulling.
OPMERKING: De mantel en het akoestische venster van de transducer zijn gecoat met sterk reflecterende witte verf om de uniformiteit van de verlichting te verbeteren. Deze opstelling, inclusief het gebruik van vier vezels voor lichtafgifte, bleek eerder optimaal te zijn voor transvaginale toepassingen17. Zie de discussie voor meer informatie.
2. Systeemconfiguratie: Ultrasoon detectie- en scanschema
- Gebruik een programmeerbaar klinisch Amerikaans systeem.
OPMERKING: Een programmeerbaar systeem betekent dat de ruwe ultrasone gegevens toegankelijk zijn en dat aangepaste protocollen voor gegevensverzameling en verwerkingsalgoritmen kunnen worden geprogrammeerd. - Sluit een extra monitor aan op het Amerikaanse systeem om de USPAT-weergavesoftware uit te voeren voor de real-time visualisatie van de rHbT-, %sO2-kaarten en andere functionele parameters.
- Sluit de interne trigger van de laser aan op de externe trigger van het Amerikaanse systeem.
- Gebruik een time-division multiplexing-benadering tijdens de co-geregistreerde modus; in het bijzonder, voor elke golflengte, sequentieel verwerven vijf opeenvolgende PAT-frames en één co-geregistreerd AMERIKAANS frame. Gemiddelde van de PAT-frames om de signaal-ruisverhouding te verbeteren. De totale data-acquisitietijd voor vier golflengten is ongeveer 15 s.
3. Systeemkalibratie
- Stel de energie van de laserpomp in op een vast niveau.
- Controleer voor elke golflengte (750 nm, 780 nm, 800 nm en 830 nm) de energie-output per puls bij elke vezelpunt om er zeker van te zijn dat de berekende energiedichtheid bij elke geselecteerde golflengte op de verwachte waarde in tabel 1 ligt.
- Als de energie-output lager is dan verwacht, stemt u de optische uitlijning af door de spiegel- en bundelsplitsingshoeken aan te passen. Deze stap is niet altijd nodig.
- Herhaal stap 3.2-3.4 totdat de energie voldoende is.
- Noteer de energie-output van de vier vezels op elke golflengte en voer de waarden in de USPAT-weergavesoftware in.
OPMERKING: Deze waarden worden gebruikt om de berekening van de rHbT te kalibreren. De laserenergie fluctueert in de loop van de tijd en kalibratie zorgt ervoor dat de kwantitatieve parameters die worden berekend op basis van de multispectrale PAT-gegevens zo nauwkeurig mogelijk zijn.
4. Een experimentele monsterprocedure: Transvaginale USPAT-beeldvorming van de menselijke eierstok
- Voorbereiding van het USPAT-beeldvormingssysteem
- Desinfecteer de endocaviteit US-sonde en de afdekmantel met het standaard ultrasone sondereinigingsprotocol in de instelling.
- Schakel het klinische Amerikaanse systeem in, start de Amerikaanse systeemsoftware en selecteer de juiste Amerikaanse transducer.
- Kalibreer het lasersysteem zoals in stap 3.
- Voer de totale pulsenergie voor elke golflengte in de USPAT-weergavesoftware in.
- Monteer de USPAT-sonde door de vezels en de sonde in de sondemantel te plaatsen.
- Voorbereiding van de patiënt
- Volg het instellingsspecifieke protocol om geïnformeerde toestemming te verkrijgen en de patiënt voor te bereiden.
- Beeldvorming
- Lokaliseer de doel eierstok met behulp van pulse-echo US.
OPMERKING: Deze stap wordt uitgevoerd door de onderzoeksarts, die vrij is om de beeldvormingsparameters op de klinische Amerikaanse machine aan te passen, zoals de diepte, het dynamische bereik en de TGC. - Selecteer de gewenste diepte in de USPAT-besturingssoftware.
- Klik op Scannen in de besturingssoftware om de gezamenlijk geregistreerde USPAT B-mode data-acquisitie te starten. Bekijk de USPAT-beeldweergavesoftware om de gezamenlijk geregistreerde Amerikaanse en PAT B-modusbeelden en gereconstrueerde functionele kaarten in realtime te bekijken.
- Herhaal stap 4.3.1-4.3.3 om meer beelden te verkrijgen en (indien nodig) de tweede laesie in beeld te brengen.
- Lokaliseer de doel eierstok met behulp van pulse-echo US.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hier tonen we voorbeelden van kwaadaardige en normale ovariële laesies afgebeeld door USPAT. Figuur 3 toont een 50-jarige premenopauzale vrouw met bilaterale multicysteuze adnexale massa's onthuld door contrastversterkte CT. Figuur 3A toont het Amerikaanse beeld van de linker adnexa met de ROI die de verdachte vaste knobbel in de cystische laesie markeert. Figuur 3B toont de PAT rHbT-kaart die op de VS is geplaatst en in het rood is weergegeven. De rHbT vertoonde een uitgebreide diffuse vasculaire verdeling in het dieptebereik van 1 cm tot 5 cm en het niveau was hoog met 17,1 (a.u.). Figuur 3C toont de %sO2-verdeling bovenop de VS, en het niveau was laag met een gemiddelde waarde van 46,4%. De histogrammen van rHbT en %sO2 in de ROI worden weergegeven in de rechterhoek van de rHbT- en %sO2-kaarten. Chirurgische pathologie onthulde goed gedifferentieerd endometrioïde adenocarcinoom van zowel de rechter- als de linker eierstokken.
Figuur 4 toont een 46-jarige vrouw met bilaterale cystische laesies. Figuur 4A toont het Amerikaanse beeld van de rechter eierstok met een eenvoudige cyste met een maximale diameter van 4,2 cm. Figuur 4B toont de PAT rHbT-kaart bovenop de co-geregistreerde VS met verstrooiingssignalen aan de linkerkant van de laesie met een laag gemiddeld niveau van 4,8 (a.u). Figuur 4C toont de %sO2-kaart, die een hoger %sO2-gehalte van 67,5% liet zien. De chirurgische pathologie onthulde een normale rechter eierstok met folliculaire cysten.
Op basis van de pilotgegevens vertoonden maligne ovariumlaesies gemiddeld 1,9 keer hogere rHbT en 9% lagere %sO2 in vergelijking met goedaardige laesies1. Deze twee representatieve voorbeelden benadrukken het belang van de functionele parameters die pat biedt bij de diagnose van in de VS gedetecteerde laesies.
| Golflengten | 750 NM | 780 NM | 800 NM | 830 NM |
| Vezels 1 | 4,79 mJ/cm2 | 6,16 mJ/cm2 | 6,59 mJ/cm2 | 6,33 mJ/cm2 |
| Vezel 2 | 4,62 mJ/cm2 | 5,39 mJ/cm2 | 5,99 mJ/cm2 | 6,50 mJ/cm2 |
| Vezel 3 | 4,79 mJ/cm2 | 6,07 mJ/cm2 | 6,76 mJ/cm2 | 6,84 mJ/cm2 |
| Vezel 4 | 4,70 mJ/cm2 | 6,07 mJ/cm2 | 6,67 mJ/cm2 | 6,50 mJ/cm2 |
| Totaal | 18,90 mJ/cm2 | 23,69 mJ/cm2 | 26,01 mJ/cm2 | 26,17 mJ/cm2 |
| MPE (ANSI) | 25,2 mJ/cm2 | 28,9 mJ/cm2 | 31,7 mJ/cm2 | 36,4 mJ/cm2 |
Tabel 1: Representatieve laserenergiedichtheidsmetingen in eenheden van mJ/cm2 gekoppeld aan de vier vezeltips voor vier golflengten, samen met hun overeenkomstige MPE-waarden.
Figuur 1: Het gezamenlijk geregistreerde US- en PAT-systeem en de sonde. Het Amerikaanse systeem wordt uitgebreid met een andere monitor voor de USPAT-displaysoftware en ontvangt lasertriggers om de Amerikaanse overname te synchroniseren. De laserstraal wordt uitgebreid door een plano-convexe lens (L1), gecollimeerd door een plano-concave lens (L2), opgesplitst in vier bundels met twee stadia van bundelsplitters (BS) en gekoppeld aan multi-mode vezels (MMF) met vier plano-convexe lenzen (L3-6) en vezelkoppelingen (FC1-4). De vezels zijn bevestigd aan de endocavity US-sonde via een aangepaste sondemantel. Spiegels (M) worden gebruikt om licht in de besloten ruimte om te leiden wanneer dat nodig is. De besturingscomputer wordt niet weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Blokdiagram van de USPAT-besturingssoftware. De besturingssoftware automatiseert het beeldvormingsproces door de golflengte van de laser te wijzigen, gegevensverzamelingsopdrachten naar het klinische Amerikaanse systeem te sturen en de weergavesoftware te signaleren om de gegevens te verwerken en te visualiseren. Het klinische Amerikaanse systeem ontvangt triggers van de laser rechtstreeks om de laserexcitatie te synchroniseren met de Amerikaanse detectie. De weergavesoftware leest de RF-gegevens van het bestandssysteem. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Een 50-jarige premenopauzale vrouw met bilaterale multicystische adnexale massa's onthuld door contrastversterkte CT. (A) Amerikaanse afbeelding van de linker adnexa met de ROI die de verdachte vaste knobbel in de cystische laesie markeert. (B) De PAT rHbT-kaart bovenop de VS en in het rood weergegeven. De rHbT vertoonde een uitgebreide diffuse vasculaire verdeling in het dieptebereik van 1 cm tot 5 cm, en het niveau was hoog met 17,1 (a.u.). (C) De %sO2-verdeling over de VS heen. Het niveau was laag met een gemiddelde waarde van 46,4%. Chirurgische pathologie onthulde goed gedifferentieerd endometrioïde adenocarcinoom van zowel de rechter- als de linker eierstokken. De diepte werd gemarkeerd aan de rechterkant van de B-scan beelden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Een 46-jarige vrouw met bilaterale cystische laesies. (A) US van de rechter eierstok met een eenvoudige cyste van 4,2 cm in maximale diameter. (B) De PAT rHbT-kaart bovenop de co-geregistreerde VS met verstrooiingssignalen aan de linkerkant van de laesie met een laag gemiddeld niveau van 4,8 (a.u). (C) De %sO2-kaart toonde een hoger %sO2-gehalte van 67,5%. De chirurgische pathologie onthulde een normale rechter eierstok met folliculaire cysten. De diepte werd gemarkeerd aan de rechterkant van de B-scan beelden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullend dossier 1: Sondemantel. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Optische verlichting
Het aantal gebruikte vezels is gebaseerd op twee factoren: uniformiteit van de lichtverlichting en complexiteit van het systeem. Het is van cruciaal belang om een uniform lichtverlichtingspatroon op het huidoppervlak te hebben om hotspots te voorkomen. Het is ook belangrijk om het systeem eenvoudig en robuust te houden met een minimaal aantal vezels. Het gebruik van vier afzonderlijke vezels is eerder optimaal gebleken voor het creëren van uniforme verlichting op diepten van enkele millimeters en daarbuiten. Bovendien is de lichtkoppeling met vier optische vezels relatief eenvoudig en robuust, zoals nodig is voor patiëntenstudies. We hebben eerder aangetoond dat het gebruik van vier 1 mm core multi-mode optische vezels, met de vezelpunten op ongeveer 10 mm afstand van het weefsel, gehuisvest in een sterk reflecterende sondeschede (zie aanvullend bestand 1 voor het ontwerp) optimaal zijn voor transvaginale fotoakoestische beeldvorming17.
USPAT-displaysoftware
Het klinische Amerikaanse systeem dat we gebruiken, kan worden geprogrammeerd voor de real-time weergave van PAT21 met één golflengte. Onze methode vereist echter aangepaste nabewerking van multispectrale PAT-gegevens om functionele parameters te berekenen, dus kozen we ervoor om onze eigen USPAT-weergavesoftware in C ++ te implementeren om functionele kaarten en parameters te berekenen en te visualiseren. Us- en PAT B-mode-afbeeldingen worden berekend op basis van de RF-gegevens met behulp van standaard delay-and-sum beamforming, logcompressie en dynamisch bereik en worden vervolgens geïnterpoleerd in een ventilatorvorm. De rHbT- en %sO2-kaarten die zijn berekend op basis van de multispectrale PAT-gegevens (zie "Berekening van de rHbT en %sO2" verderop in de discussie) worden weergegeven op de gezamenlijk geregistreerde afbeelding of, optioneel, in een door de gebruiker gedefinieerde interesseregio (ROI). Het gemiddelde en maximum van de %sO2 en rHbT worden ter referentie op het scherm weergegeven. Tijdens beeldvorming wordt de weergavesoftware in servermodus gebruikt om te luisteren naar remote procedure calls (RPC's) via TCP/IP van de USPAT-besturingssoftware voor online verwerking en realtime visualisatie. Het kan ook worden gebruikt voor offline verwerking en visualisatie.
Beeldverwerkingsalgoritmen kunnen het beste worden geïmplementeerd op gespecialiseerde grafische hardware, zoals de GPU, maar in deze studie konden we bevredigende prestaties bereiken met een geoptimaliseerde CPU-implementatie. De grootste prestatiewinst kwam van het vervangen van ruimtelijke domeinalgoritmen door hun frequentiedomeinequivalenten. Door gebruik te maken van de Fast Fourier Transform, kunnen we de computationele complexiteit van ruimtelijke filterbewerkingen, die vaak O(n2 ), tijdscomplexiteit, hebben, triviaal verbeteren tot O(n logn), wat in de praktijk zeer dicht bij lineaire tijd ligt. Bovendien hebben we voor het filteren van ruwe RF-gegevens een snelle discrete convolutie geïmplementeerd met de Overlap-Add-methode18, die uitblinkt in finite impulse response (FIR) filtering.
Berekening van de rHbT en %sO2
De berekening van de functionele parameters afgeleid van de multispectrale PAT-gegevens wordt geïmplementeerd in de USPAT-weergavesoftware en de functionele parameters worden automatisch in realtime berekend en gevisualiseerd. In het kort berekenden we de oxy-hemoglobine en deoxy-hemoglobine (relatieve schaal, rHbO en rHbR) concentratie bij elke pixel door een niet-negatief lineair kleinste kwadratenprobleem op te lossen:
waarbij g de metingen op vier golflengten vertegenwoordigt, H de matrix van extinctiecoëfficiënten van oxy-hemoglobine en deoxy-hemoglobine op elke golflengte, en f de rHbO en rHbR. De rHbT is gewoon de som van rHbO en rHbR, en de %sO2 kan worden berekend uit de verhouding rHbO:rHbT2. De berekening van deze parameters is geïmplementeerd in de USPAT-weergavesoftware en is volledig geautomatiseerd. Deze methode met het systeem wordt gevalideerd door het meten van de gekalibreerde bloedbuisfantooms gesuspendeerd in intralipide oplossing2.
USPAT-besturingssoftware
De USPAT-besturingssoftware automatiseert het USPAT-gegevensverzamelingsproces door te communiceren met de laser voor golflengteafstemming, het klinische Amerikaanse systeem voor gegevensverzameling en de USPAT-weergavesoftware voor gegevensverwerking en visualisatie. Na het selecteren van de diepte in de grafische gebruikersinterface (GUI), stuurt de software een opdracht naar het Amerikaanse systeem (via TCP / IP via een ethernetkabel) om het juiste sequentiebestand te laden. Met de knop Scannen begint het acquisitieproces van één set gezamenlijk geregistreerde multispectrale PAT- en Amerikaanse gegevens. Ten eerste stemt de besturingssoftware achtereenvolgens de lasergolflengte (via USB) af van de laagste naar de hoogste, terwijl het Amerikaanse systeem de gezamenlijk geregistreerde PAT- en US-frames verwerft. Ten slotte activeert de besturingssoftware de USPAT-weergavesoftware (via TCP / IP) om de Amerikaanse en PAT B-mode-afbeeldingen te berekenen, de functionele kaarten te reconstrueren en ze in realtime weer te geven. Tegelijkertijd wordt de laser terug afgestemd op de laagste golflengte.
Beperkingen
Momenteel zijn er verschillende beperkingen van de USPAT-techniek. Ten eerste kan fotoakoestische beeldvorming slechts ongeveer 5 cm diep worden met commerciële Amerikaanse transducers met een bandbreedte van 4-10 MHz. Dus voor eierstokken dieper dan 5 cm, of wanneer het pathologische proces van het doelwit zich meer dan 5 cm van de vaginale fornix binnen een grote adnexale massa bevindt, is PAT beperkt. Ten tweede vereist het beperkte gezichtsveld van de Amerikaanse transducer het scannen van een grotere laesie onder meerdere hoeken om een gemiddelde te verkrijgen dat representatiever is voor het rHbT- en %sO2-contrast van de laesie. Ten derde is de relatieve totale hemoglobineconcentratie gerapporteerd omdat de PAT-metingen het product zijn van de lokale fluenceverdeling en het optische absorptieprofiel. Het is een uitdaging om het optische absorptieprofiel van in vivo metingen te schatten. Onlangs zijn neurale netwerkgebaseerde benaderingen onderzocht voor de reconstructie van de absolute totale hemoglobineconcentratie19, maar deze benaderingen moeten nog worden gevalideerd. Ten slotte wordt de framesnelheid van multispectrale fotoakoestische beeldvorming beperkt door de snelheid waarmee de laser zijn golflengte kan afstemmen. De laser werkt op 10 Hz en is mechanisch afgestemd, en de data-acquisitie voor vier golflengten duurt ongeveer 15 s, dus dit is de bottleneck bij het verbeteren van de framesnelheid.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen relevante financiële belangen in het manuscript en geen andere potentiële belangenconflicten om bekend te maken.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door het NCI (R01CA151570, R01CA237664). De auteurs bedanken de hele GYN-oncologiegroep onder leiding van Dr. Mathew Powell voor het helpen bij het werven van patiënten, radiologen Drs. Cary Siegel, William Middleton en Malak Itnai voor het helpen met de Amerikaanse studies, en de patholoog Dr. Ian Hagemann voor het helpen met de pathologie-interpretatie van de gegevens. De auteurs erkennen dankbaar de inspanningen van Megan Luther en de GYN-studiecoördinatoren bij het coördineren van de studieschema's, het identificeren van patiënten voor de studie en het verkrijgen van geïnformeerde toestemming.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Clinical US imaging system | Alpinion Medical Systems | EC-12R | Fully programmable clinical US system |
| Dielectric mirror | Thorlabs | BB1-E03 | Used to reflect light along the optical path |
| Endocavity US transducer | Alpinion Medical Systems | EC3-10 | Transvaginal ultrasound probe |
| Laser power meter | Coherent | LabMax TOP | Used to measure laser energy |
| Multi-mode optical fiber | Thorlabs | FP1000ERT | Couple laser light to the endocavity ultrasound probe |
| Non-polarizing beam splitter plate | Thorlabs | BSW11 | For splitting laser beam into sensors to measure energy |
| Plano-concave lens | Thorlabs | LC1715 | For laser beam expansion |
| Plano-convex lens | Thorlabs | LA1484-B | For laser beam collimation |
| Plano-convex lens | Thorlabs | LA1433-B | Used to focus light into four optical fibers |
| Polarizing beam splitter cube | Thorlabs | PBS252 | For splitting laser beam into four beams |
| Protective probe shealth | Custom 3D printed | Hold and protect the four optical fibers at the tip of the ultrasound probe | |
| Right angle prism mirror | Thorlabs | MRA25-E03 | Used to reflect light along the optical path |
| Tunable laser system | Symphotic TII | LS-2145-LT50PC | Light source for multispectral PAT |
| USPAT control software | Custom developed in C++ | Controls acquisition parameters of the ultrasound machine and the laser wavelength | |
| USPAT image display software | Custom developed in C++ | Displays the US/PAT B-scans and sO2/rHbT maps in real time |
References
- Nandy, S., et al. Evaluation of ovarian cancer: Initial application of coregistered photoacoustic tomography and US. Radiology. 289 (3), 740-747 (2018).
- Amidi, E., et al. Role of blood oxygenation saturation in ovarian cancer diagnosis using multi-spectral photoacoustic tomography. Journal of Biophotonics. 14 (4), 202000368 (2021).
- Dogan, B. E., et al. Optoacoustic imaging and gray-scale US features of breast cancers: Correlation with molecular subtypes. Radiology. 292 (3), 564-572 (2019).
- Menezes, G. L. G., et al. Downgrading of breast masses suspicious for cancer by using optoacoustic breast imaging. Radiology. 288 (2), 355-365 (2018).
- Neuschler, E. I., et al. A pivotal study of optoacoustic imaging to diagnose benign and malignant breast masses: A new evaluation tool for radiologists. Radiology. 287 (2), 398-412 (2018).
- von Knorring, T., Mogensen, M. Photoacoustic tomography for assessment and quantification of cutaneous and metastatic malignant melanoma - A systematic review. Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 33, 102095 (2021).
- Han, S., Lee, H., Kim, C., Kim, J. Review on multispectral photoacoustic analysis of cancer: Thyroid and breast. Metabolites. 12 (5), 382 (2022).
- Kim, J., et al. Multiparametric photoacoustic analysis of human thyroid cancers in vivo. Cancer Research. 81 (18), 4849-4860 (2021).
- Basij, M., Karpiouk, A., Winer, I., Emelianov, S., Mehrmohammadi, M. Dual-illumination ultrasound/photoacoustic system for cervical cancer imaging. IEEE Photonics Journal. 13 (1), 6900310 (2021).
- Agrawal, S., et al. development, and multi-characterization of an integrated clinical transrectal ultrasound and photoacoustic device for human prostate imaging. Diagnostics. 10 (8), 566 (2020).
- Kothapalli, S. -R., et al. Simultaneous transrectal ultrasound and photoacoustic human prostate imaging. Science Translational Medicine. 11 (507), 2169 (2019).
- Leng, X., et al. Assessing rectal cancer treatment response using coregistered endorectal photoacoustic and US imaging paired with deep learning. Radiology. 299 (2), 349-358 (2021).
- Surveillance, Epidemiology, and End Results Program. Cancer of the Ovary - Cancer Stat Facts. National Cancer Institute. , Available from: https://seer.cancer.gov/statfacts/html/ovary.html (2022).
- Temkin, S. M., et al. Outcomes from ovarian cancer screening in the PLCO trial: Histologic heterogeneity impacts detection, overdiagnosis and survival. European Journal of Cancer. 87, 182-188 (2017).
- Kobayashi, H., et al. A randomized study of screening for ovarian cancer: A multicenter study in Japan. International Journal of Gynecological Cancer. 18 (3), 414-420 (2008).
- Andreotti, R. F., et al. O-RADS US risk stratification and management system: A consensus guideline from the ACR ovarian-adnexal reporting and data system committee. Radiology. 294 (1), 168-185 (2020).
- Salehi, H. S., et al. Design of optimal light delivery system for coregistered transvaginal ultrasound and photoacoustic imaging of ovarian tissue. Photoacoustics. 3 (3), 114-122 (2015).
- Oppenheim, A. V., Schafer, R. W. Digital Signal Processing. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (1975).
- Zou, Y., Amidi, E., Luo, H., Zhu, Q. Ultrasound-enhanced Unet model for quantitative photoacoustic tomography of ovarian lesions. Photoacoustics. 28, 100420 (2022).
- Prince, J. L., Links, J. M. Medical Imaging Signals and Systems. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (2006).
- Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Scientific Reports. 6, 35137 (2016).
