يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

بروتوكول مسجل بالموجات فوق الصوتية والتصوير الصوتي الضوئي للتصوير عبر المهبل لآفات المبيض

2.7K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/64864

⸱

مارس 3, 2023

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Washington University, 2Department of Electrical & Systems Engineering, Washington University, 3Department of Radiology, Washington University School of Medicine

في هذه المقالة

ملخص

نبلغ عن بروتوكول مسجل بالموجات فوق الصوتية والتصوير الصوتي الضوئي للتصوير عبر المهبل لآفات المبيض / الملحق. قد يكون البروتوكول ذا قيمة لدراسات التصوير الصوتي الضوئي الانتقالية الأخرى ، خاصة تلك التي تستخدم صفائف الموجات فوق الصوتية التجارية للكشف عن الإشارات الصوتية الضوئية وخوارزميات تشكيل الحزمة القياسية للتأخير والمجموع للتصوير.

الملخص

لا يزال سرطان المبيض هو الأكثر فتكا بين جميع الأورام الخبيثة النسائية بسبب نقص أدوات الفحص الموثوقة للكشف والتشخيص المبكرين. التصوير الضوئي الصوتي أو التصوير المقطعي (PAT) هو طريقة تصوير ناشئة يمكن أن توفر تركيز الهيموجلوبين الكلي (المقياس النسبي ، rHbT) وتشبع الأكسجين في الدم (٪ sO2) لآفات المبيض / الغدة الدرقية ، والتي تعد معلمات مهمة لتشخيص السرطان. إلى جانب الموجات فوق الصوتية المسجلة (الولايات المتحدة) ، أظهر PAT إمكانات كبيرة للكشف عن سرطانات المبيض والتشخيص الدقيق لآفات المبيض لتقييم المخاطر بشكل فعال والحد من العمليات الجراحية غير الضرورية للآفات الحميدة. ومع ذلك ، فإن بروتوكولات التصوير PAT في التطبيقات السريرية ، على حد علمنا ، تختلف إلى حد كبير بين الدراسات المختلفة. هنا ، نبلغ عن بروتوكول تصوير سرطان المبيض عبر المهبل الذي يمكن أن يكون مفيدا للدراسات السريرية الأخرى ، خاصة تلك التي تستخدم صفائف الموجات فوق الصوتية التجارية للكشف عن الإشارات الصوتية الضوئية وخوارزميات تشكيل الحزمة القياسية للتأخير والجمع للتصوير.

المقدمة

التصوير الصوتي الضوئي أو التصوير المقطعي (PAT) هو طريقة تصوير هجينة تقيس توزيع الامتصاص البصري بدقة الولايات المتحدة وأعماق تتجاوز حد الانتشار البصري للأنسجة (~ 1 مم). في PAT ، يتم استخدام نبضة ليزر نانوثانية لإثارة الأنسجة البيولوجية ، مما يتسبب في ارتفاع درجة الحرارة بشكل عابر بسبب الامتصاص البصري. هذا يؤدي إلى ارتفاع الضغط الأولي ، ويتم قياس الموجات الصوتية الضوئية الناتجة بواسطة محولات الطاقة الأمريكية. يتضمن PAT متعدد الأطياف استخدام إما ليزر قابل للضبط أو ليزر متعدد يعمل بأطوال موجية مختلفة لإلقاء الضوء على الأنسجة ، مما يتيح إعادة بناء خرائط الامتصاص البصري بأطوال موجية متعددة. استنادا إلى الامتصاص التفاضلي للهيموغلوبين المؤكسج وغير المؤكسج في نافذة الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) ، يمكن ل PAT متعدد الأطياف حساب توزيعات تركيزات الهيموغلوبين المؤكسج وغير المؤكسج ، وتركيز الهيموجلوبين الكلي ، وتشبع الأكسجين في الدم ، وكلها مؤشرات حيوية وظيفية تتعلق بتكوين الأوعية الدموية للورم واستهلاك أكسجة الدم أو استقلاب الورم. أثبت PAT نجاحا في العديد من تطبيقات الأورام ، مثل سرطان المبيض1،2 ، وسرطان الثدي3،4،5 ، وسرطان الجلد6 ، وسرطان الغدة الدرقية7،8 ، وسرطان عنق الرحم9 ، وسرطان البروستاتا10،11 ، وسرطان القولون والمستقيم 12.

سرطان المبيض هو الأكثر فتكا من بين جميع الأورام الخبيثة النسائية. يتم تشخيص 38٪ فقط من سرطانات المبيض في مرحلة مبكرة (موضعية أو إقليمية) ، حيث يبلغ معدل البقاء على قيد الحياة لمدة 5 سنوات 74.2٪ إلى 93.1٪. يتم تشخيص معظمهم في مرحلة متأخرة ، حيث يكون معدل البقاء على قيد الحياة لمدة 5 سنوات 30.8٪ أو أقل13. تبين أن طرق التشخيص السريري الحالية ، بما في ذلك التصوير بالموجات فوق الصوتية عبر المهبل (TUS) ، ودوبلر الولايات المتحدة ، ومستضد سرطان المصل 125 (CA 125) ، وبروتين البربخ البشري 4 (HE4) ، تفتقر إلى الحساسية والنوعية للتشخيص المبكر لسرطان المبيض14،15،16. بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون من الصعب تشخيص جزء كبير من آفات المبيض الحميدة بدقة باستخدام تقنيات التصوير الحالية ، مما يؤدي إلى عمليات جراحية غير ضرورية مع زيادة تكاليف الرعاية الصحية والمضاعفات الجراحية. وبالتالي ، هناك حاجة إلى طرق إضافية دقيقة غير جراحية لتقسيم المخاطر إلى طبقات من الكتل adnexal لتحسين الإدارة والنتائج. من الواضح أن هناك حاجة إلى تقنية حساسة ومحددة لسرطان المبيض في مراحله المبكرة وأكثر دقة في تحديد الآفات الخبيثة من الآفات الحميدة.

طورت مجموعتنا نظاما أمريكيا و PAT عبر المهبل (USPAT) لتشخيص سرطان المبيض من خلال الجمع بين نظام أمريكي سريري ، وغمد مسبار مصنوع خصيصا لإيواء الألياف الضوئية لتوصيل الضوء ، وليزر قابل للضبط1. أظهر إجمالي تركيز الهيموغلوبين (المقياس النسبي ، rHbT) وتشبع الأكسجين في الدم (٪ sO2) المشتق من نظام USPAT إمكانات كبيرة للكشف عن سرطانات المبيض في المراحل المبكرة ولتشخيص آفات المبيض بدقة لتقييم المخاطر الفعال والحد من جراحات الآفات الحميدة غير الضرورية 1,2. يظهر مخطط النظام الحالي في الشكل 1 ، ويظهر مخطط كتلة التحكم في الشكل 2. هذه الاستراتيجية لديها القدرة على دمجها في بروتوكولات TUS الحالية لتشخيص سرطان المبيض مع توفير المعلمات الوظيفية (rHbT، ٪ sO2) لتحسين حساسية وخصوصية TUS.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

تمت الموافقة على جميع الأبحاث التي أجريت من قبل مجلس المراجعة المؤسسية بجامعة واشنطن.

1. تكوين النظام: الإضاءة البصرية (الشكل 1)

  1. استخدم ليزر Nd: YAG لضخ ليزر Ti-sapphire نابض وقابل للضبط (690-890 نانومتر) عند 10 هرتز.
  2. قم بتوسيع شعاع الليزر عن طريق تباعد الحزمة أولا باستخدام عدسة مقعرة مستوية ثم موازاة الحزمة بعدسة مستوية محدبة. استخدم مرآتين لتوجيه الحزمة إلى مقسم شعاع (موضح أدناه).
  3. قسم شعاع الليزر الموسع إلى أربع حزم ذات طاقة متساوية عن طريق تقسيم الحزمة الأصلية إلى قسمين باستخدام مقسم شعاع مستقطب ثم تقسيم الحزمتين بمقسمات شعاع أخرى من المرحلة الثانية.
  4. قم بتركيب أربعة ألياف بصرية متعددة الأوضاع مع خراطيش ألياف.
  5. استخدم أربع عدسات مستوية محدبة لتركيز أشعة الليزر الأربعة على الألياف الأربعة.
  6. نظرا لاعتبارات سلامة الليزر ، قم بتغطية جميع المكونات البصرية أسفل صندوق معدني لضمان عدم تعرض المسار البصري.
  7. قم بتوصيل الأطراف الأخرى من الألياف الأربعة بمسبار الموجات فوق الصوتية عبر المهبل ، وأرفق المسبار والألياف في غمد واقي.
    ملاحظة: يتم طلاء الغلاف والنافذة الصوتية لمحول الطاقة بطلاء أبيض عاكس للغاية لتحسين توحيد الإضاءة. وقد تبين سابقا أن هذا الإعداد ، بما في ذلك استخدام أربعة ألياف لتوصيل الضوء ، هو الأمثل للتطبيقات عبر المهبل17. انظر المناقشة لمزيد من المعلومات.

2. تكوين النظام: مخطط الكشف والمسح بالموجات فوق الصوتية

  1. استخدم نظاما أمريكيا سريريا قابلا للبرمجة.
    ملاحظة: يعني النظام القابل للبرمجة أنه يمكن الوصول إلى بيانات الموجات فوق الصوتية الأولية ، ويمكن برمجة بروتوكولات الحصول على البيانات المخصصة وخوارزميات المعالجة.
  2. قم بتوصيل شاشة إضافية بنظام الولايات المتحدة لتشغيل برنامج عرض USPAT للتصور في الوقت الفعلي لخرائط rHbT و٪sO2 والمعلمات الوظيفية الأخرى.
  3. قم بتوصيل الزناد الداخلي لليزر بالمشغل الخارجي للنظام الأمريكي.
  4. استخدام نهج تعدد الإرسال بتقسيم الوقت أثناء وضع التسجيل المشترك ؛ على وجه التحديد ، لكل طول موجي ، احصل بالتتابع على خمسة إطارات PAT متتالية وإطار أمريكي واحد مسجل. متوسط إطارات PAT لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء. يبلغ إجمالي وقت الحصول على البيانات لأربعة أطوال موجية حوالي 15 ثانية.

3. معايرة النظام

  1. اضبط طاقة مضخة الليزر على مستوى ثابت.
  2. لكل طول موجي (750 نانومتر ، 780 نانومتر ، 800 نانومتر ، و 830 نانومتر) ، تحقق من ناتج الطاقة لكل نبضة عند كل طرف من أطراف الألياف للتأكد من أن كثافة الطاقة المحسوبة عند كل طول موجي محدد هي بالقيمة المتوقعة الواردة في الجدول 1.
  3. إذا كان خرج الطاقة أقل من المتوقع، فقم بضبط المحاذاة البصرية عن طريق ضبط زوايا مقسم المرآة والشعاع. ليست هناك حاجة دائما لهذه الخطوة.
  4. كرر الخطوات 3.2-3.4 حتى تصبح الطاقة مرضية.
  5. سجل ناتج طاقة الألياف الأربعة عند كل طول موجي ، وأدخل القيم في برنامج عرض USPAT.
    ملاحظة: تستخدم هذه القيم لمعايرة حساب rHbT. تتقلب طاقة الليزر بمرور الوقت ، وتضمن المعايرة أن المعلمات الكمية المحسوبة من بيانات PAT متعددة الأطياف دقيقة قدر الإمكان.

4. إجراء تجريبي عينة: تصوير USPAT عبر المهبل للمبيض البشري

  1. إعداد نظام التصوير USPAT
    1. تطهير مسبار الولايات المتحدة endocavity وغمد الغطاء مع بروتوكول تنظيف مسبار الموجات فوق الصوتية القياسية في المؤسسة.
    2. قم بتشغيل نظام الولايات المتحدة السريري ، وابدأ تشغيل برنامج نظام الولايات المتحدة ، وحدد محول الطاقة الأمريكي الصحيح.
    3. قم بمعايرة نظام الليزر كما في الخطوة 3.
    4. أدخل إجمالي طاقة النبضة لكل طول موجي في برنامج عرض USPAT.
    5. قم بتجميع مسبار USPAT عن طريق إحاطة الألياف والمسبار داخل غلاف المسبار.
  2. تحضير المريض
    1. اتبع البروتوكول الخاص بالمؤسسة للحصول على موافقة مستنيرة وإعداد المريض.
  3. التصوير
    1. حدد موقع المبيض المستهدف باستخدام صدى النبض US.
      ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة من قبل طبيب الدراسة ، وهو حر في ضبط معلمات التصوير على الجهاز السريري الأمريكي ، مثل العمق والنطاق الديناميكي و TGC.
    2. حدد العمق المطلوب في برنامج التحكم USPAT.
    3. انقر فوق مسح ضوئي في برنامج التحكم لبدء الحصول على بيانات USPAT B-mode المسجلة بشكل مشترك. شاهد برنامج عرض الصور USPAT لمراجعة صور الولايات المتحدة وPAT B-mode المسجلة بشكل مشترك والخرائط الوظيفية المعاد بناؤها في الوقت الفعلي.
    4. كرر الخطوات 4.3.1-4.3.3 للحصول على المزيد من الصور و (إذا لزم الأمر) صورة الآفة الثانية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

هنا ، نعرض أمثلة على آفات المبيض الخبيثة والطبيعية التي صورتها USPAT. يوضح الشكل 3 امرأة تبلغ من العمر 50 عاما قبل انقطاع الطمث مع كتل adnexal متعددة الكيسات الثنائية التي كشفت عنها CT المعززة بالتباين. يوضح الشكل 3A الصورة الأمريكية للملحق الأيسر مع مؤشر عائد الاستثمار الذي يشير إلى العقيدة الصلبة المشبوهة داخل الآفة الكيسية. يوضح الشكل 3B خريطة PAT rHbT المتراكبة على الولايات المتحدة والموضحة باللون الأحمر. أظهر rHbT توزيعا واسعا ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

إضاءة بصرية
يعتمد عدد الألياف المستخدمة على عاملين: توحيد الإضاءة الخفيفة وتعقيد النظام. من الأهمية بمكان أن يكون لديك نمط إضاءة ضوئي موحد على سطح الجلد لتجنب النقاط الساخنة. من المهم أيضا الحفاظ على النظام بسيطا وقويا بأقل عدد من الألياف. لقد ثبت سابقا أن استخدام أربعة ألياف منفصلة هو الأمثل لإنشاء إضاءة موحدة على أعماق عدة ملليمترات وما بعدها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن اقتران الضوء بأربعة ألياف بصرية بسيط وقوي نسبيا ، حسب الحاجة لدراسات المرضى. لقد أظهرنا سابقا أن استخدام أربعة ألياف بصرية متعددة الأوض...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ليس للمؤلفين أي مصالح مالية ذات صلة في المخطوطة ولا يوجد تضارب محتمل آخر في المصالح للإفصاح عنه.

شكر وتقدير

تم دعم هذا العمل من قبل NCI (R01CA151570 ، R01CA237664). يشكر المؤلفون مجموعة أورام GYN بأكملها بقيادة الدكتور ماثيو باول للمساعدة في تجنيد المرضى ، وأخصائيي الأشعة الدكاترة كاري سيجل ، وويليام ميدلتون ، وملك إيتناي للمساعدة في الدراسات الأمريكية ، وأخصائي علم الأمراض الدكتور إيان هاغمان للمساعدة في تفسير علم الأمراض للبيانات. يعترف المؤلفون بامتنان بجهود ميغان لوثر ومنسقي دراسة GYN في تنسيق جداول الدراسة ، وتحديد المرضى للدراسة ، والحصول على موافقة مستنيرة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
نظام التصوير السريري الأمريكيAlpinion Medical SystemsEC-12Rنظام أمريكي سريري قابل للبرمجة بالكامل
مرآة عازلةThorlabsBB1-E03تستخدم لعكس الضوء على طول المسار البصري
محول الطاقة الأمريكيAlpinion MedicalSystems EC3-10مسبار الموجات فوق الصوتية عبر المهبل
مقياس طاقة الليزرمتماسكLabMax TOPالمستخدمة لقياس طاقة الليزر
الألياف الضوئية متعددة الأوضاعThorlabsFP1000ERTزوجين من ضوء الليزر إلى مسبار الموجات فوق الصوتية التجويف
الداخلي لوحة تقسيم الشعاع غير المستقطبةThorlabsBSW11لتقسيم شعاع الليزر إلى أجهزة استشعار لقياس الطاقة
عدسة مستوية مقعرةThorlabsLC1715لتوسيع شعاع الليزر
عدسة بلانو محدبة   ؛ThorlabsLA1484-Bلموازاة شعاع الليزر
عدسة بلانو محدبة   ؛ThorlabsLA1433-Bتستخدم لتركيز الضوء في أربعة ألياف ضوئية
مكعب مقسم شعاع الاستقطابThorlabsPBS252لتقسيم شعاع الليزر إلى أربعة حزم
مسبار واقي صحةمخصص مطبوع ثلاثي الأبعادامسك وحماية الألياف الضوئية الأربعة عند طرف مسبار الموجات فوق الصوتية
مرآة المنشور ذات الزاوية اليمنىThorlabsMRA25-E03تستخدم لعكس الضوء على طول المسار البصري
نظام الليزر القابل للضبطمصدر الضوء TII SYMPHOTICLS-2145-LT50PCلبرنامج التحكم PAT USPAT متعدد الأطياف
تم تطويره مخصصا في C ++يتحكم في معلمات اكتساب جهاز الموجات فوق الصوتية وبرنامج عرض الصور USPAT بالطول الموجي بالليزر
تم تطويره حسب الطلب في C ++يعرض المسح الضوئي US / PAT B وخرائط sO2 / rHbT في الواقع الوقت

المراجع

  1. Nandy, S., et al. Evaluation of ovarian cancer: Initial application of coregistered photoacoustic tomography and US. Radiology. 289 (3), 740-747 (2018).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Menezes, G. L. G., et al. Downgrading of breast masses suspicious for cancer by using optoacoustic breast imaging. Radiology. 288 (2), 355-365 (2018).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Han, S., Lee, H., Kim, C., Kim, J. Review on multispectral photoacoustic analysis of cancer: Thyroid and breast. Metabolites. 12 (5), 382(2022).
  8. Kim, J., et al. Multiparametric photoacoustic analysis of human thyroid cancers in vivo. Cancer Research. 81 (18), 4849-4860 (2021).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Kothapalli, S. -R., et al. Simultaneous transrectal ultrasound and photoacoustic human prostate imaging. Science Translational Medicine. 11 (507), 2169(2019).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Oppenheim, A. V., Schafer, R. W. Digital Signal Processing. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (1975).
  19. Zou, Y., Amidi, E., Luo, H., Zhu, Q. Ultrasound-enhanced Unet model for quantitative photoacoustic tomography of ovarian lesions. Photoacoustics. 28, 100420(2022).
  20. Prince, J. L., Links, J. M. Medical Imaging Signals and Systems. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (2006).
  21. Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Scientific Reports. 6, 35137(2016).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

بروتوكول مسجل بالموجات فوق الصوتية والتصوير الصوتي الضوئي للتصوير عبر المهبل لآفات المبيض
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.