经阴道卵巢病变的超声与光声成像联合造影检查方案

摘要

我们报道了一种用于经阴道卵巢/附件病变成像的超声与光声共配准成像方案。该方案可能对其他转化型光声成像研究具有参考价值，特别是那些采用商用超声阵列检测光声信号，并使用标准延时叠加波束成形算法进行成像的研究。

摘要

由于缺乏可靠的早期检测和诊断筛查工具，卵巢癌仍然是所有妇科恶性肿瘤中致死率最高的癌症。光声成像或断层扫描（PAT）是一种新兴的成像技术，可提供卵巢/附件病变的总血红蛋白浓度（相对尺度，rHbT）和血液氧饱和度（%sO₂），这些是癌症诊断的重要参数。结合共配准的超声（US），PAT 在检测卵巢癌以及准确诊断卵巢病变方面展现出巨大潜力，有助于有效评估风险并减少对良性病变不必要的手术。然而，据我们所知，PAT 在临床应用中的成像方案在不同研究之间存在较大差异。本文报道了一种经阴道卵巢癌成像方案，可为其他临床研究提供参考，特别是那些采用商用超声阵列检测光声信号以及使用标准延时叠加波束成形算法进行成像的研究。

引言

光声成像或断层扫描（PAT）是一种混合成像模式，能够以超声分辨率在远超组织光学扩散极限（约1 mm）的深度下测量光学吸收分布。在PAT中，利用纳秒激光脉冲激发生物组织，由于光学吸收导致组织产生瞬时温度升高，进而引起初始压力上升，所产生的光声波由超声换能器检测。多光谱PAT采用可调谐激光器或多个在不同波长下工作的激光器照射组织，从而实现多个波长下的光学吸收图的重建。基于氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白在近红外（NIR）窗口内的差异吸收特性，多光谱PAT可计算氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、总血红蛋白浓度以及血氧饱和度的分布，这些均为与肿瘤血管生成、血液氧消耗或肿瘤代谢相关的功能性生物标志物。PAT已在多种肿瘤学应用中取得成功，如卵巢癌^1,2、乳腺癌^3,4,5、皮肤癌⁶、甲状腺癌^7,8、宫颈癌⁹、前列腺癌^10,11以及结直肠癌¹²。

卵巢癌是所有妇科恶性肿瘤中致死率最高的。仅有38%的卵巢癌在早期（局部或区域期）被诊断出来，此时5年生存率为74.2%至93.1%。大多数病例在晚期才被确诊，其5年生存率仅为30.8%或更低¹³。目前的临床诊断方法，包括经阴道超声检查（TUS）、多普勒超声（Doppler US）、血清癌抗原125（CA 125）和人附睾蛋白4（HE4），在早期卵巢癌诊断中的敏感性和特异性均被证明不足^14,15,16。此外，大量良性卵巢病变使用当前影像技术可能难以准确诊断，导致不必要的手术，增加医疗成本和手术并发症风险。因此，亟需开发更准确的无创方法，用于附件肿块的风险分层，以优化临床管理和治疗结局。显然，迫切需要一种对早期卵巢癌具有高敏感性和特异性、并能更准确区分良恶性病变的技术。

本课题组开发了一种共配准的经阴道超声与光声成像系统（USPAT），通过结合临床超声系统、用于容纳光导纤维以实现光传输的定制探头护套以及可调谐激光器，用于卵巢癌的诊断¹。该USPAT系统获得的总血红蛋白浓度（相对尺度，rHbT）和血液氧饱和度（%sO2）在早期卵巢癌检测以及卵巢病变的精确诊断方面展现出巨大潜力，有助于有效评估风险并减少不必要的良性病变手术^1,2。当前系统的示意图见图1，控制系统框图见图2。该策略有望整合到现有的经阴道超声（TUS）卵巢癌诊断流程中，同时提供功能参数（rHbT、%sO2），以提高TUS的敏感性和特异性。

方案

所有开展的研究均经华盛顿大学机构审查委员会批准。

1. 系统配置：光学照明（图1）

1. 使用Nd:YAG激光器泵浦一个脉冲式可调谐（690-890 nm）的钛宝石激光器，重复频率为10 Hz。
2. 首先使用平凹透镜使激光束发散，再用平凸透镜对光束进行准直，从而实现光束的扩展。使用两个反射镜将光束引导至分束器（如下所述）。
3. 通过偏振分束器将原始光束分成两束，再利用另外两个二级分束器将这两束光进一步分割，最终将扩展后的激光束分为四束能量相等的光束。
4. 安装四个带光纤夹具的多模光纤。
5. 使用四个平凸透镜将四束激光分别聚焦耦合进四根光纤中。
6. 出于激光安全考虑，需将所有光学元件覆盖在一个金属箱内，以确保光路不外露。
7. 将四根光纤的另一端连接至经阴道超声探头，并将探头与光纤共同包裹在保护套管中。
   ​注意：换能器的套管和声窗涂有高反射白色涂料，以提高照明均匀性。该装置（包括使用四根光纤进行光传输）此前已被证明在经阴道应用中具有最优性能¹⁷。详见讨论部分。

2. 系统配置：超声检测与扫描方案

1. 使用可编程的临床超声系统。
   注：可编程系统是指可以访问原始超声数据，并可编程自定义数据采集协议和处理算法。
2. 将额外的显示器连接到超声系统，以运行USPAT显示软件，实时可视化rHbT、%sO2图谱及其他功能参数。
3. 将激光器的内部触发信号连接至超声系统的外部触发接口。
4. 在共定位模式下采用时分复用方法；具体而言，针对每个波长，依次采集五帧连续的PAT图像和一帧共定位的超声图像，并对PAT帧进行平均处理以提高信噪比。四个波长的总数据采集时间约为15秒。

3. 系统校准

1. 将激光泵浦能量设置为固定水平。
2. 对于每个波长（750 nm、780 nm、800 nm 和 830 nm），检查每根光纤末端的单脉冲能量输出，以确保在所选各波长下的计算能量密度达到表1中给出的预期值。
3. 如果能量输出低于预期，通过调整镜片和分束器的角度来微调光学对准。此步骤并非总是需要。
4. 重复步骤3.2–3.4，直至能量输出达到满意水平。
5. 记录四种光纤在各波长下的能量输出，并将数值输入USPAT显示软件。
   ​注意：这些数值用于校准rHbT的计算。激光能量会随时间波动，校准可确保从多光谱PAT数据计算出的定量参数尽可能准确。

4. 一项示例性实验方案：人类卵巢的经阴道超声光声断层成像

1. USPAT 成像系统的准备
   1. 按照机构的标准超声探头清洁规程，对腔内超声探头及保护套管进行消毒。
   2. 打开临床超声系统，启动超声系统软件，并选择正确的超声换能器。
   3. 按照步骤 3 校准激光系统。
   4. 将每个波长的总脉冲能量输入到 USPAT 显示软件中。
   5. 通过将光纤和探头置于探头套管内，组装 USPAT 探头。
2. 患者准备
   1. 遵循机构特定的规程，获取知情同意并完成患者准备工作。
3. 成像
   1. 使用脉冲回波超声定位目标卵巢。
      注：此步骤由研究医师操作，可根据需要在临床超声设备上调整成像参数，如深度、动态范围和时间增益补偿（TGC）。
   2. 在 USPAT 控制软件中选择所需的成像深度。
   3. 在控制软件中点击 扫描，以启动共定位的 USPAT B 模式数据采集。实时观察 USPAT 图像显示软件中的共定位超声与光声断层成像（PAT）B 模式图像以及重建的功能图。
   4. 重复步骤 4.3.1–4.3.3，以获取更多图像，并在必要时对第二个病灶进行成像。

结果

此处展示了使用超声光声成像（USPAT）检测的恶性与正常卵巢病变示例。图3显示了一名50岁绝经前女性，经增强CT检查发现双侧附件区多房囊性肿块。图3A为左侧附件区的超声图像，感兴趣区域（ROI）标记了囊性病变内部可疑的实性结节。图3B为将PAT的总血红蛋白浓度（rHbT）图叠加于超声图像上的结果，以红色显示。rHbT图像显示在1 cm至5 cm深度范围内存在广泛弥散的血管分布，其水平较高，达17.1（a.u.）。图3C为氧饱和度（%sO2）分布图叠加于超声图像的结果，其水平较低，平均值为46.4%。rHbT和%sO2在感兴趣区域内的直方图分别显示在对应图像的右上角。术后病理检查结果显示双侧卵巢均为高分化子宫内膜样腺癌。

图4 显示一名46岁女性双侧卵巢囊性病变。

讨论

光学照明
所用光纤的数量取决于两个因素：光照均匀性和系统复杂性。在皮肤表面实现均匀的光照分布至关重要，以避免出现热点。同时，还需保持系统的简洁性和稳定性，并尽量减少光纤数量。先前的研究已表明，使用四根独立的光纤可在数毫米及更深的组织深度实现最佳的均匀照明效果。此外，将光耦合至四根光纤的结构相对简单且稳定，适合用于临床患者研究。我们此前已证实，采用四根芯径为1 mm的多模光纤，光纤端面距离组织约10 mm，并置于高反射性探头护套内（设计参见补充文件1），对于经阴道光声成像最为理想¹⁷。

USPAT 显示软件
我们使用的临床超声系统可编程实现单波长光声成像（PAT）的实时显示²¹。然而，我们的方法需要对多光谱 PAT 数据进行定制化的后处理以计算功能参数，因此我们选择使用 C++ 自行开发 USPAT 显示软件，用于计算并可视化功能图谱和参数。超声（US）和光声（PAT）B 模图像通过射频（RF）数据...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
临床超声成像系统	Alpinion Medical Systems	EC-12R	完全可编程的临床超声系统
介电镜	Thorlabs	BB1-E03	用于沿光路反射光
腔内超声换能器	Alpinion Medical Systems	EC3-10	经阴道超声探头
激光功率计	Coherent	LabMax TOP	用于测量激光能量
多模光纤	Thorlabs	FP1000ERT	将激光耦合至腔内超声探头
非偏振分光板	Thorlabs	BSW11	用于将激光束分束至传感器以测量能量
平凹透镜	Thorlabs	LC1715	用于激光束扩束
平凸透镜	Thorlabs	LA1484-B	用于激光束准直
平凸透镜	Thorlabs	LA1433-B	用于将光聚焦至四根光纤中
偏振分光立方体	Thorlabs	PBS252	用于将激光束分成四束
探头保护套	定制3D打印		固定并保护位于超声探头尖端的四根光纤
直角棱镜镜	Thorlabs	MRA25-E03	用于沿光路反射光
可调谐激光系统	Symphotic TII	LS-2145-LT50PC	多光谱光声断层成像的光源
超声光声控制软件	基于C++自主开发		控制超声设备和激光波长的采集参数
超声光声图像显示软件	基于C++自主开发		实时显示超声/光声B型扫描图像以及sO₂/rHbT图