Name: 用于卵巢病变经阴道成像的共注册超声和光声成像方案 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-03T14:15:00.000+00:00
Duration: 10 min 21 s
Description: 了解共注册光声与超声成像技术用于卵巢病变经阴道检测的方法。该技术结合血红蛋白对比度与解剖结构成像，可提高早期卵巢癌诊断敏感性并减少不必要的手术干预。

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本工作由美国国家癌症研究所（NCI）资助（项目编号：R01CA151570，R01CA237664）。作者感谢由Matthew Powell博士领导的整个妇科肿瘤团队在患者招募方面的协助，感谢放射科医生Cary Siegel博士、William Middleton博士和Malak Itnai博士在超声研究方面的帮助，以及病理学家Ian Hagemann博士在病理数据解读方面的支持。作者衷心感谢Megan Luther及妇科研究协调员团队在协调研究日程、确定研究对象和获取知情同意过程中所付出的努力。

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）
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>安装四个带光纤夹具的多模光纤。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。 
	&#8203;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。</li>
</ol>
2. 系统配置：超声检测与扫描方案
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
3. 系统校准
<ol>
	<li>将激光泵浦能量设置为固定水平。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>重复步骤3.2–3.4，直至能量输出达到满意水平。</li>
	<li>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。 
	&#8203;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。</li>
</ol>
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
<ol>
	<li>USPAT 成像系统的准备
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>按照步骤 3 校准激光系统。</li>
		<li>将每个波长的总脉冲能量输入到 USPAT 显示软件中。</li>
		<li>通过将光纤和探头置于探头套管内，组装 USPAT 探头。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>患者准备
	<ol>
		<li>遵循机构特定的规程，获取知情同意并完成患者准备工作。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>成像
	<ol>
		<li>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）。</li>
		<li>在 USPAT 控制软件中选择所需的成像深度。</li>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Nandy, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+ovarian+cancer%3A+Initial+application+of+coregistered+photoacoustic+tomography+and+US%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Evaluation of ovarian cancer: Initial application of coregistered photoacoustic tomography and US.</a> Radiology. 289 (3), 740-747 (2018).</li>
<li>Amidi, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Role+of+blood+oxygenation+saturation+in+ovarian+cancer+diagnosis+using+multi-spectral+photoacoustic+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biophotonics%22%5BJournal%5D)">Role of blood oxygenation saturation in ovarian cancer diagnosis using multi-spectral photoacoustic tomography.</a> Journal of Biophotonics. 14 (4), 202000368(2021).</li>
<li>Dogan, B. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optoacoustic+imaging+and+gray-scale+US+features+of+breast+cancers%3A+Correlation+with+molecular+subtypes%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Optoacoustic imaging and gray-scale US features of breast cancers: Correlation with molecular subtypes.</a> Radiology. 292 (3), 564-572 (2019).</li>
<li>Menezes, G. L. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Downgrading+of+breast+masses+suspicious+for+cancer+by+using+optoacoustic+breast+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Downgrading of breast masses suspicious for cancer by using optoacoustic breast imaging.</a> Radiology. 288 (2), 355-365 (2018).</li>
<li>Neuschler, E. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+pivotal+study+of+optoacoustic+imaging+to+diagnose+benign+and+malignant+breast+masses%3A+A+new+evaluation+tool+for+radiologists%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">A pivotal study of optoacoustic imaging to diagnose benign and malignant breast masses: A new evaluation tool for radiologists.</a> Radiology. 287 (2), 398-412 (2018).</li>
<li>von Knorring, T., Mogensen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photoacoustic+tomography+for+assessment+and+quantification+of+cutaneous+and+metastatic+malignant+melanoma+-+A+systematic+review%5BTitle%5D)+AND+%22Photodiagnosis+and+Photodynamic+Therapy%22%5BJournal%5D)">Photoacoustic tomography for assessment and quantification of cutaneous and metastatic malignant melanoma - A systematic review.</a> Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 33, 102095(2021).</li>
<li>Han, S., Lee, H., Kim, C., Kim, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+on+multispectral+photoacoustic+analysis+of+cancer%3A+Thyroid+and+breast%5BTitle%5D)+AND+%22Metabolites%22%5BJournal%5D)">Review on multispectral photoacoustic analysis of cancer: Thyroid and breast.</a> Metabolites. 12 (5), 382(2022).</li>
<li>Kim, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiparametric+photoacoustic+analysis+of+human+thyroid+cancers+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Cancer+Research%22%5BJournal%5D)">Multiparametric photoacoustic analysis of human thyroid cancers in vivo.</a> Cancer Research. 81 (18), 4849-4860 (2021).</li>
<li>Basij, M., Karpiouk, A., Winer, I., Emelianov, S., Mehrmohammadi, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dual-illumination+ultrasound%2Fphotoacoustic+system+for+cervical+cancer+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Photonics+Journal%22%5BJournal%5D)">Dual-illumination ultrasound/photoacoustic system for cervical cancer imaging.</a> IEEE Photonics Journal. 13 (1), 6900310(2021).</li>
<li>Agrawal, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((development%2C+and+multi-characterization+of+an+integrated+clinical+transrectal+ultrasound+and+photoacoustic+device+for+human+prostate+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Diagnostics%22%5BJournal%5D)">development, and multi-characterization of an integrated clinical transrectal ultrasound and photoacoustic device for human prostate imaging.</a> Diagnostics. 10 (8), 566(2020).</li>
<li>Kothapalli, S. -R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+transrectal+ultrasound+and+photoacoustic+human+prostate+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Translational+Medicine%22%5BJournal%5D)">Simultaneous transrectal ultrasound and photoacoustic human prostate imaging.</a> Science Translational Medicine. 11 (507), 2169(2019).</li>
<li>Leng, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Assessing+rectal+cancer+treatment+response+using+coregistered+endorectal+photoacoustic+and+US+imaging+paired+with+deep+learning%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Assessing rectal cancer treatment response using coregistered endorectal photoacoustic and US imaging paired with deep learning.</a> Radiology. 299 (2), 349-358 (2021).</li>
<li>Surveillance, Epidemiology, and End Results Program. Cancer of the Ovary - Cancer Stat Facts. National Cancer Institute. , Available from: 
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<li>Temkin, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Outcomes+from+ovarian+cancer+screening+in+the+PLCO+trial%3A+Histologic+heterogeneity+impacts+detection%2C+overdiagnosis+and+survival%5BTitle%5D)+AND+%22European+Journal+of+Cancer%22%5BJournal%5D)">Outcomes from ovarian cancer screening in the PLCO trial: Histologic heterogeneity impacts detection, overdiagnosis and survival.</a> European Journal of Cancer. 87, 182-188 (2017).</li>
<li>Kobayashi, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+randomized+study+of+screening+for+ovarian+cancer%3A+A+multicenter+study+in+Japan%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Gynecological+Cancer%22%5BJournal%5D)">A randomized study of screening for ovarian cancer: A multicenter study in Japan.</a> International Journal of Gynecological Cancer. 18 (3), 414-420 (2008).</li>
<li>Andreotti, R. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((O-RADS+US+risk+stratification+and+management+system%3A+A+consensus+guideline+from+the+ACR+ovarian-adnexal+reporting+and+data+system+committee%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">O-RADS US risk stratification and management system: A consensus guideline from the ACR ovarian-adnexal reporting and data system committee.</a> Radiology. 294 (1), 168-185 (2020).</li>
<li>Salehi, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+optimal+light+delivery+system+for+coregistered+transvaginal+ultrasound+and+photoacoustic+imaging+of+ovarian+tissue%5BTitle%5D)+AND+%22Photoacoustics%22%5BJournal%5D)">Design of optimal light delivery system for coregistered transvaginal ultrasound and photoacoustic imaging of ovarian tissue.</a> Photoacoustics. 3 (3), 114-122 (2015).</li>
<li>Oppenheim, A. V., Schafer, R. W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aOppenheim%2C+AV+%22Digital+Signal+Processing%22">Digital Signal Processing</a>. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (1975).</li>
<li>Zou, Y., Amidi, E., Luo, H., Zhu, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasound-enhanced+Unet+model+for+quantitative+photoacoustic+tomography+of+ovarian+lesions%5BTitle%5D)+AND+%22Photoacoustics%22%5BJournal%5D)">Ultrasound-enhanced Unet model for quantitative photoacoustic tomography of ovarian lesions.</a> Photoacoustics. 28, 100420(2022).</li>
<li>Prince, J. L., Links, J. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPrince%2C+JL+%22Medical+Imaging+Signals+and+Systems%22">Medical Imaging Signals and Systems</a>. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (2006).</li>
<li>Kim, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Programmable+Real-time+Clinical+Photoacoustic+and+Ultrasound+Imaging+System%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System.</a> Scientific Reports. 6, 35137(2016).</li>
</ol>

作者在本论文中无相关财务利益，也无其他潜在利益冲突需要披露。

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...

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。

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

经阴道卵巢病变的超声与光声成像联合造影检查方案

A Coregistered Ultrasound and Photoacoustic Imaging Protocol for the Transvaginal Imaging of Ovarian Lesions

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。

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。<strong class...

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。

卵巢癌由于缺乏可靠的早期筛查和诊断工具，仍然是所有妇科恶性肿瘤中致死率最高的一种。

众所周知，卵巢癌是所有妇科恶性肿瘤中致死率最高的。如果在早期且病灶局限的阶段发现卵巢癌，通过手术和化疗可使约70%至90%的患者得以治愈，而晚期才确诊的患者治愈率仅为20%或更低。目前的标准诊疗方法在早期卵巢癌检测方面的敏感性较低。此外，标准诊疗方法对卵巢附件病变的准确风险评估特异性也很差，导致不必要的手术，从而可能引发手术并发症并造成显著的医疗成本。因此，我们需要一种能够灵敏检测早期卵巢癌并准确诊断卵巢附件病变的特异性技术。光声断层扫描（PAT）采用特定波长的近红外光进行照射，这些光可被氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白选择性吸收。由光吸收产生的光声波能够绘制出血红蛋白的对比图像，并可与共配准超声成像所获得的解剖结构进行联合定位。总血红蛋白浓度和氧饱和度可提供有关组织血管化程度和氧消耗的功能信息。由于恶性病变通常具有较高的总血红蛋白浓度和较低的氧饱和度，这两个独立变量可能有助于更早地检测卵巢癌，并准确区分良恶性卵巢附件病变，从而改善手术治疗建议。我们已获得患者的初步数据，结果表明，将共配准的光声成像与经阴道超声及卵巢癌血液生物标志物CA 125相结合，实际上能够诊断卵巢附件病变。我们的初步数据还表明，共配准的光声成像能够检测早期卵巢癌和输卵管癌。共配准的光声与超声成像已被应用于乳腺癌、皮肤癌、甲状腺癌、宫颈癌、前列腺癌以及结直肠癌的检测与诊断。然而，成像探头会因不同器官的成像窗口而有所差异。首台商用共定位光声与超声乳腺成像系统由Sino Medical Instrument公司提供。我们预计未来市场上将出现更多商用的共定位光声超声成像系统。然而，经阴道光声与超声成像探头需要针对患者成像进行专门设计。首先，通过平凹透镜使激光束发散，再用平凸透镜对光束进行准直，从而实现激光束的扩束。使用两个反射镜将光束引导至一个分束器上。利用偏振分束器将原始光束分成两束，然后通过另外两个二级分束器将这两束光进一步分开。这样，扩束后的激光将被分成四束能量相等的光束。安装四根多模光纤并使用光纤夹具固定，再利用四个平凸透镜将四束激光分别聚焦进入这四根光纤中。用金属箱罩住所有光学元件，以确保光路不外露。将额外的显示器连接到可编程的临床超声或超声系统，以运行PATUS显示软件，实时可视化相对总血红蛋白、血氧饱和度图谱及其他功能参数。然后将激光器的内部触发信号连接到超声系统的外部触发端口，依次采集五帧连续的光声断层成像（PAT）图像和一帧共定位的超声图像。为校准系统，需将激光泵浦能量设置为固定水平。对于每个波长，检查每根光纤末端的单脉冲能量输出，以确保在所选每个波长下的计算能量密度达到预期值。为准备PATUS成像系统，打开临床超声系统并启动超声系统软件。按下超声设备控制面板上的换能器按钮，以打开换能器选择界面。然后选择正确的超声探头。校准激光系统，并将每个波长的总脉冲能量输入PATUS显示软件中。通过将光纤和探头置于探头护套内，组装PATUS探头。进行成像时，调整 PATUS 探头的位置。在 B 超扫描图像中心会逐渐出现一个低回声目标。然后在 PATUS 控制软件中选择所需的深度，并在控制软件中点击扫描，以开始同步获取 PATUS B 模式数据。观察 PATUS 图像显示软件，以实时查看配准后的超声和光声断层成像（PAT）B 模式图像。单波长光声数据在采集过程中会叠加显示在超声图像上方。重复上述步骤以获取更多图像，如有必要，对第二个病灶进行成像。数据采集完成后，PATUS 显示软件会收到触发信号以重建功能图。左侧面板显示超声 B 型扫描图像，右侧面板显示与共配准超声图像叠加的相对总血红蛋白浓度。选择感兴趣区域（ROI），此处为目标卵巢，以计算该 ROI 内的 SO2 图。此图像显示了一名50岁绝经前女性，经增强CT检查发现双侧多房性附件囊性肿块。图中展示了左侧附件的超声图像，感兴趣区域（ROI）标记了囊性病变内可疑的实性结节。PAT相对总血红蛋白图已叠加至超声图像上。相对总血红蛋白显示在1厘米至5厘米深度范围内存在广泛弥散的血管分布，其水平较高，达17.1。血氧饱和度分布叠加在超声图像上，其水平较低，平均值为46.4%。外科病理学检查显示双侧卵巢存在高分化子宫内膜样腺癌。B超图像右侧标注了深度。该图显示一位46岁女性的双侧囊性病变。此处显示的是右侧卵巢的超声图像，可见一个最大直径为4.2厘米的单纯性囊肿。将PAT相对总血红蛋白图叠加在共配准的超声图像上，可见病灶左侧存在散在信号，平均值较低，为4.8。血氧饱和度图显示氧饱和度含量较高，为67.5%。手术病理结果显示右侧卵巢正常，伴有滤泡囊肿。针对每个波长，测量四个光纤尖端的总能量输出，并将其与先前的记录进行比较。如果测量值比记录值低超过一毫焦，则调整光学元件以最大化能量耦合。使用美国食品药品监督管理局（FDA）批准的临床超声系统进行活体光声断层成像（PAT），是PAT临床转化的重要步骤。与离体成像相比，活体人体成像在数据采集方面面临新的挑战。临床光声成像数据可进一步用于计算机辅助诊断研究。我们的技术发展及有前景的初步患者研究结果，激励着研究人员和企业进一步探索共定位光声与超声成像在卵巢癌早期检测及手术风险评估中的全部潜力。

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Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

用于卵巢病变经阴道成像的共注册超声和光声成像方案

在本视频中，我们展示了利用光声流式细胞术检测循环中携带纳米颗粒的卵巢癌细胞 体外...

体外光声流式细胞术：一种用于检测携带纳米颗粒的循环性卵巢癌细胞的非侵入性光声流式技术

光声膀胱造影术（PAC）在无需使用电离辐射或有毒对比剂的情况下，具有对儿童患者这一辐射敏感的内部器官——膀胱进行成像的广阔潜力。本文展示了在大鼠中通过注射光学不透性示踪剂，利用PAC对膀胱进行成像的方法。 体内.

光声膀胱造影术

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用于非侵入性成像检测与监测卵巢癌复发的小鼠模型

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通用手持式三维光声成像探头用于深部组织人体血管造影及实时功能学临床前研究

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利用光声流式细胞术检测卵巢癌

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小鼠中通过Pax8导向删除肿瘤抑制因子Arid1a和Pten实现子宫内膜癌进展的无创超声评估

排卵前期卵巢血流的变化对排卵至关重要。多普勒超声已用于人类和大型动物评估卵巢血流动力学和灌注情况。本文介绍了一种在小鼠排卵前期和围排卵期应用多普勒超声评估卵巢血流动力学的实验方案。...

小鼠卵巢血管功能的活体成像与定量多普勒超声检测

我们介绍一种技术，可实现分子束中不同构象体或团簇在空间上的分离。利用静电偏转器根据其质荷比对不同物种进行分离，从而获得单一构象体或特定化学计量比团簇的气相集合体。...

分子构象体与团簇的空间分离

了解共注册光声与超声成像技术用于卵巢病变经阴道检测的方法。该技术结合血红蛋白对比度与解剖结构成像，可提高早期卵巢癌诊断敏感性并减少不必要的手术干预。

经阴道卵巢病变的超声与光声成像联合造影检查方案

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