يصف هذا البروتوكول إجراء التصوير لجهاز التصوير بالميكروويف لتصوير الثدي.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
يصف هذا البروتوكول إجراء التصوير لجهاز التصوير بالميكروويف لتصوير الثدي.
سرطان الثدي هو أكثر الأورام الخبيثة شيوعا بين النساء ، والكشف المبكر والعلاج أمران حاسمان لتحسين النتائج السريرية. يظل التصوير الشعاعي للثدي بالأشعة السينية هو طريقة الفحص القياسية. ومع ذلك ، فإن له العديد من القيود ، بما في ذلك التعرض للإشعاع ، وعدم الراحة للمريض ، وانخفاض الحساسية لدى النساء ذوات أنسجة الثدي الكثيفة. ظهر التصوير بالميكروويف ، وهو تقنية غير مؤينة ، كبديل واعد. لقد طورنا جهازا يعيد بناء هياكل أنسجة الثدي من خلال حل مشكلة التشتت العكسي ويخضع حاليا لتجارب سريرية. يولد هذا النظام صورا مقطعية ثلاثية الأبعاد دون استخدام عوامل تباين ودون التسبب في ألم أثناء الفحص. حتى الآن ، تم تصوير 24 مريضا بسرطان الثدي ، بدقة 86٪ للأورام التي يبلغ قطرها ≥ 1 سم ، و 58٪ عند تضمين الأورام < 1 سم. في هذه المقالة ، نقدم بروتوكولا مفصلا لإعداد الجهاز والتصوير السريري ومعالجة البيانات ، جنبا إلى جنب مع نتائج التصوير التمثيلية من مرضى مختارين.
سرطان الثدي هو أكثر الأورام الخبيثة شيوعا بين النساء ، حيث يتم تشخيص ما يقرب من 95,000 حالة جديدة سنويا في اليابان1. يعد الكشف المبكر والعلاج ضروريين لتحسين نتائج المرضى.
يعد التصوير الشعاعي للثدي بالأشعة السينية حاليا أداة الفحص القياسية. ومع ذلك ، فإن حساسيته محدودة عند النساء ذوات أنسجة الثدي الكثيفة ، مما يجعل اكتشاف الورم الصغير صعبا2. لمعالجة هذا القيد ، غالبا ما تستخدم الموجات فوق الصوتية كطريقة تشخيص مساعدة. تتطلب الفحوصات بالموجات فوق الصوتية مستوى عال من مهارة المشغل ، وتبلغ دقة تشخيص التصوير الشعاعي للثدي أو الموجات فوق الصوتية وحدها حوالي 60٪. يحقق التصوير بالرنين المغناطيسي المعزز بالتباين (MRI) دقة تتجاوز 90٪. ومع ذلك ، نظرا لارتفاع تكاليف المعدات والفحص ، فإن التصوير بالرنين المغناطيسي غير مناسب للفحص الروتيني وهو مخصص بشكل أساسي لاتخاذ القرار الجراحي وتخطيط العلاج3.
في الآونة الأخيرة ، اجتذب التصوير بالميكروويف اهتماما متزايدا كبديل محتمل قادر على التغلب على قيود التصوير الشعاعي للثدي والموجات فوقالصوتية 4. عندما يتفاعل إشعاع الميكروويف مع الأنسجة البيولوجية ، تحدث انعكاسات قوية عند حدود عازلة. الانعكاسية أعلى من الأشعة السينية أو الموجات فوق الصوتية ، مما يتيح اكتشاف الآفات الصغيرة. استمرت الأبحاث حول الكشف عن سرطان الثدي باستخدام التصوير بالميكروويف منذ أكثر من 25 عاما ، حيث تم الإبلاغ عن العديد من الدراسات السريرية5.
يمكن تصنيف التصوير بالموجات الصغرية على نطاق واسع إلى فئتين: التصوير متحد البؤر ، الذي يعيد بناء توزيع الطاقة المتناثرة ، والتصوير المقطعي المبعثر ، الذي يعيد بناء توزيع السماحية المعقدة (ثابت العزل الكهربائي والتوصيل الكهربائي) 6،7. يشبه التصوير متحد البؤر من الناحية المفاهيمية التشخيص بالموجات فوق الصوتية. ومع ذلك ، نظرا للانعكاسات المتعددة داخل الأنسجة ، لا يمكن إعادة بناء الهياكل الداخلية بدقة. في المقابل ، يوفر التصوير المقطعي المتشتت عمليات إعادة بناء دقيقة حتى في وجود انعكاسات متعددة ولكنه يتطلب نمذجة عددية دقيقة للتشتت الكهرومغناطيسي. لا تزال التقنيات الكهرومغناطيسية الحسابية الحالية تواجه تحديات في تكرار هذه الظواهر بالكامل. لذلك ، فإن المعايرة التي تتوافق مع البيانات المقاسة مع النماذج العددية أمر بالغ الأهمية للتنفيذالعملي 8. علاوة على ذلك ، نظرا لأن استجابات الآفة أقل من 1/1000 من انعكاس الجلد9 ، فلا غنى عن الهوائيات والاستقبال شديد الحساسية ذات الأداء الممتاز للإشارة إلى الضوضاء.
يعالج نظامنا هذه التحديات من خلال تقديم مناهج مبتكرة لحل مشكلة التشتت العكسي باستخدام تقريب بورن المشوه التكراري (IDBA)10. تم تطوير العديد من التقنيات الرئيسية ، بما في ذلك هوائي البوق المحمل بالعزل الكهربائي مزدوج الاستقطاب11 ، وطريقة المعايرة باستخدام شبحينمتجانسين 12 ، وتثبيت الثدي على المستشعر عن طريق الشفط13 ، وإثارة الموجة متعددة الاستقطاب14 ، واستغلال العلاقة الخطية بين سماحية الأنسجة والتوصيلية الكهربية15. تم الانتهاء من نموذج أولي لجهاز يدمج هذه التقنيات في سبتمبر 2023 ، وبدأت التجارب السريرية في نوفمبر 2023.
على الرغم من أن التصوير بالميكروويف قد تم فحصه على نطاق واسع ، إلا أنه لا يوجد حتى الآن بروتوكول سريري مقبول على نطاق واسع يضمن الحصول على بيانات قابلة للتكرار ، ومعايرة قوية ، وإعادة بناء صورة مستقرة عبر المرضى. يعد إنشاء مثل هذا البروتوكول أمرا ضروريا لترجمة التصوير بالميكروويف من البحث التجريبي إلى التطبيق السريري العملي. يعالج البروتوكول المقدم في هذه الدراسة ، الذي يتضمن تثبيت الثدي القائم على الشفط ، والمعايرة الوهمية المزدوجة ، وإثارة الموجات متعددة الأقطاب ، هذه المتطلبات ويوفر إطارا موحدا للتقييم السريري الموثوق به للتصوير المقطعي بالميكروويف.
يوضح الشكل 1 أ مبدأ التصوير بالميكروويف16. يتم ترتيب هوائيات متعددة حول الثدي ، حيث يرسل هوائي واحد بينما يتلقى الآخرون موجات متناثرة. يعمل محلل شبكة المتجهات (VNA) كجهاز إرسال واستقبال. وفي حالة توفر منفذ واحد فقط، يتناوب الإرسال والاستقبال بالتتابع، ويتم الحصول على إشارات متناثرة لجميع أزواج الهوائيات الممكنة. ثم يتم استخدام البيانات التي تم جمعها لإعادة بناء الصور المقطعية للثدي.
يتم تلخيص تكوين الأجهزة للنموذج الأولي في الجدول 1 ويظهر في الشكل 1 ب ، بينما يتم عرض المظهر الخارجي للنموذج الأولي في الشكل 2 أ. يتكون الجهاز من حاوية خزفية للثدي ، و 16 هوائيا متصلة بالحاوية ، ومفتاح هوائي لاختيار هوائيات الإرسال والاستقبال ، و VNA لقياس خصائص الإرسال بين أزواج الهوائيات ، وكمبيوتر محمول مزود ببرنامج قياس ، ووحدة تحكم لتنسيق الكمبيوتر المحمول ومفتاح الهوائي ، وشفاط لتثبيت الثدي القائم على الشفط (الشكل 2 ج).
توجد الحاوية الخزفية ذات الهوائيات المرفقة (يشار إليها باسم مستشعر التصوير ، الشكل 2 ب) ومفتاح الهوائي داخل الجسم الرئيسي للجهاز. على الرغم من وجود 16 هوائيا ماديا ، إلا أن 12 منها مزدوجة الاستقطاب ، مما يؤدي إلى عدد هوائيات فعال يبلغ 28. يتم وضع الجهاز بجانب السرير ، وتستلقي المريضة منبعة ، وتضع ثديها في مستشعر التصوير (الشكل 1 ج). لتقليل القطع الأثرية التصويرية الناتجة عن حركة الجسم ، يتم تثبيت الثدي بالشفط على المستشعر باستخدام الشافاطة.
أثناء القياس ، يتم اختيار هوائي إرسال ، ويتم تشعيع الموجات الدقيقة عند 1.9 جيجاهرتز بقدرة خرج -5 ديسيبل ميلي واط في الثدي. يتم قياس معلمات التشتت (S-parameters) بواسطة VNA أثناء التبديل التسلسلي بين هوائيات الإرسال والاستقبال ، وتسجل البيانات على الكمبيوتر المحمول. تتكرر هذه العملية لجميع مجموعات الهوائيات. يستغرق الحصول على ثدي واحد حوالي 14 دقيقة. ويرجع وقت القياس الطويل نسبيا إلى عملية الاستحواذ التسلسلي وفترات الانتظار الإضافية المنفذة لمنع أخطاء الاتصال. مدة القياس متسقة بين المرضى.
يتم نقل ملفات القياس المسجلة إلى محطة عمل مخصصة لإعادة بناء الصورة. يتم تنفيذ برنامج التحكم الأساسي في Excel VBA ، والذي ينسق معالجة البيانات والواجهات مع محاكي المجال الكهرومغناطيسي FEMTET ومنصة التحليل العددي MATLAB ، كما هو موضح في الشكل 317،18. تتطلب إعادة بناء صورة ثدي واحدة حوالي 7 ساعات على محطة عمل مزودة بوحدة معالجة مركزية Intel Core i7-14700K وذاكرة وصول عشوائي (RAM) بسعة 96 جيجابايت. نظرا لأن خوارزمية إعادة الإعمار تستند إلى IDBA10 ، يجب تنفيذ عمليات المحاكاة الكهرومغناطيسية ثلاثية الأبعاد واسعة النطاق على نطاق واسع بشكل متكرر. يتطلب كل تحليل للمجال الكهرومغناطيسي الأمامي حوالي 10 دقائق ، ويستغرق استرداد توزيع المجال المحسوب من FEMTET 30 دقيقة إضافية. تتكرر هذه الدورة عشر مرات لكل إعادة بناء ، مما ينتج عنه وقت معالجة تراكمية يبلغ حوالي 400 دقيقة.
ويرد تلخيص بيئة البرمجيات في الجدول 2. تم تكوين الكمبيوتر المحمول باستخدام برنامج التحكم في المحلل لإدارة الاتصال مع VNA ووحدة التحكم لمفتاح الهوائي. يتطلب اتصال الأجهزة واجهة إدخال/إخراج رقمية (DIO) وكابل تحويل ناقل واجهة للأغراض العامة (GPIB)-USB لضمان نقل أوامر موثوق. يتم تثبيت جميع برامج إعادة الإعمار الأخرى على محطة العمل ، والتي يجب أن تدعم Microsoft Excel و FEMTET و MATLAB. يستخدم FEMTET لحل معادلات ماكسويل في مجال التصوير عبر طريقة العناصر المحدودة ، بينما ينفذ MATLAB الإجراءات العددية المطلوبة لانعكاس IDBA.
مطلوب إجراء معايرة صارم لمحاذاة بيانات التشتت المقاسة مع النموذج الرقمي الأمامي. يتم إجراء المعايرة باستخدام شبحين عازلين متجانسين (الشكل 2 د) مصممين لتقريب وسائط محاكاة الأنسجة. عند GHz 1.9 ، يظهر Phantom 1 سماحية نسبية قدرها 6.65 وظل خسارة عازل كهربائي قدره 0.438 ، بينما يكون للوهمي 2 سماحية نسبية قدره 4.66 وظل خسارة قدره 0.289. يتم إنشاء ملف معايرة ، cal_2314_94_ver2.mat ، مسبقا ، ويحتوي على معاملات تصحيح تعوض عن التناقضات المنهجية بين معلمات S المقاسة والمحاكاة. هذه المعاملات مشتقة من عمليات المحاكاة القائمة على FEMTET لخصائص إرسال الأشباح والتحقق من صحتها مقابل القياسات التجريبية التي تم الحصول عليها باستخدام النموذجالأولي 12. تضمن هذه المعايرة الاتساق بين النمذجة العددية والبيانات التجريبية ، مما يثبت تقارب عملية إعادة البناء التكرارية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تمت الموافقة على جميع الإجراءات السريرية من قبل مجلس المراجعة المؤسسية لجامعة أيتشي الطبية (رقم الشهادة للأبحاث السريرية المحددة: CRB4200004).
1. إعداد الجهاز
2. إدخال المعلمات الأولية
3. معايرة محلل شبكة المتجهات (VNA)
4. إجراء التصوير
5. إعادة بناء الصورة
الموجود في المحرر لإنشاء ملف .mat لمعايرة المعدات (الشكل 8 ب).
لإنشاء ورقة عمل مريض لاستخدامها في برنامج Excel VBA الرئيسي.
في المحرر لبدء عملية إعادة بناء الصورة (الشكل 9 ب).الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
فيما يلي نتائج التصوير لثلاثة مرضى ممثلين:
المريض 1
امرأة تبلغ من العمر 78 عاما مصابة بسرطان 34 ملم × 21 ملم تقع في موضع الساعة 2 للثدي الأيسر. الغدد الثديية دهنية في الغالب. يظهر الشكل 10 أ والشكل 10 ب صور التصوير الشعاعي للثدي بالأشعة السينية ، بينما يعرض الشكل 10C-F نتائج التصوير التي تم الحصول عليها باستخدام النموذ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المعايرة في هذا السياق لها معنيان متميزان. أولا ، يشير إلى تصحيح بيانات التشتت المقاسة بحيث يمكن دمج النتائج بدقة في النماذج العددية. ثانيا ، يشير إلى معايرة محلل شبكة المتجهات (VNA) نفسه.
قبل أي معايرة أو قياس ، يجب تشغيل VNA قبل 15 دقيقة على الأقل ، ويجب أن يكون مؤشر READY في وحدة المعايرة الإلكترونية أخضر. يجب التحقق من جميع اتصالات الأجهزة. يجب إحكام ربط موصلات التردد اللاسلكي بإحكام باستخدام مفتاح عزم الدوران ، ويجب فحص البراغي الموجودة ع...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يعلن المؤلفون عدم وجود علاقات تجارية أو مالية مع أي شركات ذات صلة بهذا العمل.
أجريت هذه الدراسة بدعم من منحة أبحاث العلوم والتكنولوجيا في اليابان ، 24K10872. تم دعم هذا البحث بمنح من JSPS KAKENHI والوكالة اليابانية للبحث الطبي والتنمية (AMED). قدم المؤلفون طلبات براءات اختراع تتعلق بالتكنولوجيا الموضحة في هذه المقالة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| الشفط | كواحد | DAS-01 | |
| الإخراج الرقمي | الآلات الوطنية | USB6501 | |
| وحدة المعايرة الكهربائية | أجيلينت | 85093C | تم إيقافه. استبدلها ب 85093D. |
| محاكي كهرومغناطيسي | موراتا سوفتوير | فمتيت | |
| إكسل VBA | مايكروسوفت | المنصب | |
| كابل تحويل USB GPIB | الآلات الوطنية | GPIB-USB-HS | |
| البرمجيات العددية | ماث ووركس | ماتلاب | |
| VNA | الرؤية المفتاح | E5071C |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.