Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تمت الموافقة على جميع الأبحاث التي أجريت من قبل مجلس المراجعة المؤسسية بجامعة واشنطن.
1. تكوين النظام: الإضاءة البصرية (الشكل 1)
- استخدم ليزر Nd: YAG لضخ ليزر Ti-sapphire نابض وقابل للضبط (690-890 نانومتر) عند 10 هرتز.
- 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).
- 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.
- قم بتركيب أربعة ألياف بصرية متعددة الأوضاع مع خراطيش ألياف.
- استخدم أربع عدسات مستوية محدبة لتركيز أشعة الليزر الأربعة على الألياف الأربعة.
- نظرا لاعتبارات سلامة الليزر ، قم بتغطية جميع المكونات البصرية أسفل صندوق معدني لضمان عدم تعرض المسار البصري.
- 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
- 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. - قم بتوصيل شاشة إضافية بنظام الولايات المتحدة لتشغيل برنامج عرض USPAT للتصور في الوقت الفعلي لخرائط rHbT و٪sO2 والمعلمات الوظيفية الأخرى.
- قم بتوصيل الزناد الداخلي لليزر بالمشغل الخارجي للنظام الأمريكي.
- 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
- اضبط طاقة مضخة الليزر على مستوى ثابت.
- 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.
- إذا كان خرج الطاقة أقل من المتوقع، فقم بضبط المحاذاة البصرية عن طريق ضبط زوايا مقسم المرآة والشعاع. ليست هناك حاجة دائما لهذه الخطوة.
- كرر الخطوات 3.2-3.4 حتى تصبح الطاقة مرضية.
- 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
- إعداد نظام التصوير USPAT
- تطهير مسبار الولايات المتحدة endocavity وغمد الغطاء مع بروتوكول تنظيف مسبار الموجات فوق الصوتية القياسية في المؤسسة.
- قم بتشغيل نظام الولايات المتحدة السريري ، وابدأ تشغيل برنامج نظام الولايات المتحدة ، وحدد محول الطاقة الأمريكي الصحيح.
- قم بمعايرة نظام الليزر كما في الخطوة 3.
- أدخل إجمالي طاقة النبضة لكل طول موجي في برنامج عرض USPAT.
- قم بتجميع مسبار USPAT عن طريق إحاطة الألياف والمسبار داخل غلاف المسبار.
- تحضير المريض
- اتبع البروتوكول الخاص بالمؤسسة للحصول على موافقة مستنيرة وإعداد المريض.
- التصوير
- 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. - حدد العمق المطلوب في برنامج التحكم USPAT.
- 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.
- كرر الخطوات 4.3.1-4.3.3 للحصول على المزيد من الصور و (إذا لزم الأمر) صورة الآفة الثانية.
- حدد موقع المبيض المستهدف باستخدام صدى النبض US.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 للأوعية الدموية المنتشرة في نطاق العمق من 1 سم إلى 5 سم وكان المستوى مرتفعا عند 17.1 (a.u.). يوضح الشكل 3C توزيع ٪sO2 المتراكب على الولايات المتحدة ، وكان المستوى منخفضا عند متوسط قيمة 46.4٪. يتم عرض الرسوم البيانية ل rHbT و ٪sO2 في عائد الاستثمار في الزاوية اليمنى من خرائط rHbT و ٪sO2. كشفت الأمراض الجراحية عن سرطان غدي بطانة الرحم متمايز جيدا في كل من المبيضين الأيمن والأيسر.
يوضح الشكل 4 امرأة تبلغ من العمر 46 عاما مصابة بآفات كيسية ثنائية. يوضح الشكل 4A الصورة الأمريكية للمبيض الأيمن مع كيس بسيط يبلغ قطره الأقصى 4.2 سم. يوضح الشكل 4B خريطة PAT rHbT المتراكبة على الولايات المتحدة المسجلة بشكل مشترك والتي تظهر إشارات تشتت على الجانب الأيسر من الآفة بمتوسط مستوى منخفض يبلغ 4.8 (a.u). يوضح الشكل 4C خريطة ٪sO2 ، والتي كشفت عن محتوى ٪sO2 أعلى بنسبة 67.5٪. كشف علم الأمراض الجراحي عن مبيض أيمن طبيعي مع أكياس مسامي.
استنادا إلى البيانات التجريبية ، كشفت آفات المبيض الخبيثة عن ارتفاع rHbT بمقدار 1.9 مرة وانخفاض بنسبة 9٪ sO2 في المتوسط مقارنة بالآفات الحميدة1. يسلط هذان المثالان التمثيليان الضوء على أهمية المعلمات الوظيفية التي يوفرها PAT في تشخيص الآفات المكتشفة في الولايات المتحدة.
| موجات | 750 نيوتن متر | 780 نيوتن متر | 800 نيوتن متر | 830 نيوتن متر |
| الألياف 1 | 4.79 مللي جول / سم2 | 6.16 مللي جول / سم2 | 6.59 مللي جول / سم2 | 6.33 مللي جول / سم2 |
| فايبر 2 | 4.62 مللي جول / سم2 | 5.39 مللي جول / سم2 | 5.99 مللي جول / سم2 | 6.50 مللي جول / سم2 |
| فايبر 3 | 4.79 مللي جول / سم2 | 6.07 مللي جول / سم2 | 6.76 مللي جول / سم2 | 6.84 مللي جول / سم2 |
| فايبر 4 | 4.70 مللي جول / سم2 | 6.07 مللي جول / سم2 | 6.67 مللي جول / سم2 | 6.50 مللي جول / سم2 |
| مجموع | 18.90 مللي جول / سم2 | 23.69 مللي جول / سم2 | 26.01 مللي جول / سم2 | 26.17 مللي جول / سم2 |
| MPE (ANSI) | 25.2 مللي جول / سم2 | 28.9 مللي جول / سم2 | 31.7 مللي جول / سم2 | 36.4 مللي جول / سم2 |
الجدول 1: قياسات كثافة طاقة الليزر التمثيلية بوحدات mJ / cm2 مقترنة بأطراف الألياف الأربعة لأربعة أطوال موجية جنبا إلى جنب مع قيم MPE المقابلة لها.
الشكل 1: نظام والتحقيق المسجل في الولايات المتحدة و PAT. يتم تمديد نظام الولايات المتحدة مع شاشة أخرى لبرنامج عرض USPAT ، ويتلقى مشغلات ليزر لمزامنة الاستحواذ الأمريكي. يتم توسيع شعاع الليزر بواسطة عدسة مستوية محدبة (L1) ، موازية لعدسة مقعرة مستوية (L2) ، مقسمة إلى أربع حزم مع مرحلتين من مقسمات الحزمة (BS) ، وتقترن بألياف متعددة الأوضاع (MMF) مع أربع عدسات محدبة مسطحة (L3-6) وقارنات ألياف (FC1-4). يتم توصيل الألياف بمسبار الولايات المتحدة من خلال غمد مسبار مخصص. تستخدم المرايا (M) لإعادة توجيه الضوء في المساحة الضيقة عند الضرورة. لا يظهر كمبيوتر التحكم. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: مخطط كتلة لبرنامج التحكم USPAT. يقوم برنامج التحكم بأتمتة عملية التصوير عن طريق تغيير الطول الموجي للليزر ، وإرسال أوامر الحصول على البيانات إلى النظام الأمريكي السريري ، والإشارة إلى برنامج العرض لمعالجة البيانات وتصورها. يتلقى النظام الأمريكي السريري مشغلات من الليزر مباشرة لمزامنة إثارة الليزر مع الكشف الأمريكي. يقرأ برنامج العرض بيانات التردد اللاسلكي من نظام الملفات. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3: امرأة تبلغ من العمر 50 عاما قبل انقطاع الطمث مع كتل adnexal متعددة الكيسات الثنائية كشفت عن طريق التصوير المقطعي المحوسب المعزز بالتباين . (A) صورة أمريكية للملحق الأيسر مع مؤشر عائد الاستثمار الذي يشير إلى العقيدة الصلبة المشبوهة داخل الآفة الكيسية. (ب) خريطة PAT rHbT متراكبة على الولايات المتحدة وتظهر باللون الأحمر. أظهر rHbT توزيعا واسعا للأوعية الدموية المنتشرة في نطاق العمق من 1 سم إلى 5 سم ، وكان المستوى مرتفعا عند 17.1 (a.u.). (ج) توزيع ٪sO2 المتراكب على الولايات المتحدة. كان المستوى منخفضا عند متوسط قيمة 46.4٪. كشفت الأمراض الجراحية عن سرطان غدي بطانة الرحم متمايز جيدا في كل من المبيضين الأيمن والأيسر. تم وضع علامة على العمق على الجانب الأيمن من صور B-scan. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 4: امرأة تبلغ من العمر 46 عاما مصابة بآفات كيسية ثنائية. (أ) الولايات المتحدة من المبيض الأيمن مع كيس بسيط يبلغ قطره الأقصى 4.2 سم. (ب) خريطة PAT rHbT المتراكبة على الولايات المتحدة المسجلة تظهر إشارات تشتت على الجانب الأيسر من الآفة بمتوسط منخفض يبلغ 4.8 (a.u). (ج) كشفت خريطة ٪sO2 عن محتوى ٪sO2 أعلى بنسبة 67.5٪. كشف علم الأمراض الجراحي عن مبيض أيمن طبيعي مع أكياس مسامي. تم وضع علامة على العمق على الجانب الأيمن من صور B-scan. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الملف التكميلي 1: غمد المسبار. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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 الأوضاع أساسية مقاس 1 مم ، مع أطراف الألياف على بعد حوالي 10 مم من الأنسجة ، الموجودة في غلاف مسبار عاكس للغاية (راجع الملف التكميلي 1 للتصميم) هي الأمثل للتصوير الصوتي الضوئي عبر المهبل17.
برنامج عرض USPAT
يمكن برمجة نظام الولايات المتحدة السريري الذي نستخدمه للعرض في الوقت الفعلي لطول موجة واحدة PAT21. ومع ذلك ، تتطلب طريقتنا معالجة لاحقة مخصصة لبيانات PAT متعددة الأطياف لحساب المعلمات الوظيفية ، لذلك اخترنا تنفيذ برنامج عرض USPAT الخاص بنا في C ++ لحساب وتصور الخرائط والمعلمات الوظيفية. يتم حساب صور الوضع B و PAT من بيانات التردد اللاسلكي باستخدام تشكيل الحزم القياسي للتأخير والمجموع وضغط السجل والنطاق الديناميكي ثم يتم استيفاءها في شكل مروحة. يتم عرض خرائط rHbT و ٪sO2 المحسوبة من بيانات PAT متعددة الأطياف (انظر "حساب rHbT و ٪sO2" لاحقا في المناقشة) على الصورة المسجلة أو ، اختياريا ، في منطقة اهتمام محددة من قبل المستخدم (ROI). يتم عرض متوسط والحد الأقصى ل ٪sO2 و rHbT على الشاشة كمرجع. أثناء التصوير ، يتم استخدام برنامج العرض في وضع الخادم للاستماع إلى استدعاءات الإجراءات عن بعد (RPCs) عبر TCP / IP من برنامج التحكم USPAT للمعالجة عبر الإنترنت والتصور في الوقت الفعلي. يمكن استخدامه أيضا للمعالجة والتصور في وضع عدم الاتصال.
من الأفضل تنفيذ خوارزميات معالجة الصور على أجهزة الرسومات المتخصصة ، مثل وحدة معالجة الرسومات ، ولكن في هذه الدراسة ، تمكنا من تحقيق أداء مرض من خلال تنفيذ وحدة المعالجة المركزية المحسن. جاءت أكبر مكاسب الأداء من استبدال خوارزميات المجال المكاني بمكافئاتها من مجال التردد. بالاستفادة من تحويل فورييه السريع ، يمكننا تحسين التعقيد الحسابي لعمليات التصفية المكانية بشكل تافه ، والتي غالبا ما يكون لها O (n 2) ، تعقيد الوقت ، إلى O (n logn) ، والذي يكون عمليا قريبا جدا من الوقت الخطي. علاوة على ذلك ، من أجل تصفية بيانات التردد اللاسلكي الخام ، قمنا بتنفيذ التفاف منفصل سريع باستخدام طريقة التداخل والإضافة18 ، والتي تتفوق في ترشيح الاستجابة النبضية المحدودة (FIR).
حساب rHbT و ٪ sO2
يتم تنفيذ حساب المعلمات الوظيفية المشتقة من بيانات PAT متعددة الأطياف في برنامج عرض USPAT ، ويتم حساب المعلمات الوظيفية تلقائيا وتصورها في الوقت الفعلي. باختصار ، قمنا بحساب تركيز أوكسي هيموغلوبين وديوكسي هيموغلوبين (مقياس نسبي ، rHbO و rHbR) عند كل بكسل عن طريق حل مشكلة المربعات الصغرى الخطية غير السالبة:
حيث تمثل g القياسات عند أربعة أطوال موجية ، وتمثل H مصفوفة معاملات الانقراض لأوكسي هيموجلوبين وديوكسي هيموجلوبين عند كل طول موجي ، وتمثل f rHbO و rHbR. rHbT هو ببساطة مجموع rHbO و rHbR ، ويمكن حساب ٪sO2 من نسبة rHbO:rHbT2. يتم تنفيذ حساب هذه المعلمات في برنامج عرض USPAT وهو مؤتمت بالكامل. يتم التحقق من صحة هذه الطريقة مع النظام من خلال قياس أشباح أنبوب الدم المعايرة المعلقة في محلول intralipid2.
برنامج التحكم USPAT
يقوم برنامج التحكم USPAT بأتمتة عملية الحصول على بيانات USPAT من خلال التواصل مع الليزر لضبط الطول الموجي ، ونظام الولايات المتحدة السريري للحصول على البيانات ، وبرنامج عرض USPAT لمعالجة البيانات والتصور. بعد تحديد العمق في واجهة المستخدم الرسومية (GUI) ، يرسل البرنامج أمرا إلى نظام الولايات المتحدة (عبر TCP / IP من خلال كابل إيثرنت) لتحميل ملف التسلسل الصحيح. يبدأ زر المسح عملية الحصول على مجموعة واحدة من بيانات PAT متعددة الأطياف المسجلة وبيانات الولايات المتحدة. أولا ، يقوم برنامج التحكم بضبط الطول الموجي لليزر بالتتابع (عبر USB) من الأدنى إلى الأعلى ، بينما يكتسب النظام الأمريكي إطارات PAT و US المسجلة بشكل مشترك. أخيرا ، يقوم برنامج التحكم بتشغيل برنامج عرض USPAT (عبر TCP / IP) لحساب صور الوضع B في الولايات المتحدة و PAT ، وإعادة بناء الخرائط الوظيفية ، وعرضها في الوقت الفعلي. في الوقت نفسه ، يتم ضبط الليزر مرة أخرى على أدنى طول موجي.
القيود
حاليا ، هناك العديد من القيود على تقنية USPAT. أولا ، يمكن أن يصل التصوير الصوتي الضوئي إلى عمق حوالي 5 سم فقط باستخدام محولات الطاقة الأمريكية التجارية ذات النطاق الترددي 4-10 ميجاهرتز. وبالتالي ، بالنسبة للمبيضين أعمق من 5 سم ، أو عندما تكون العملية المرضية المستهدفة أكثر من 5 سم من القبو المهبلي داخل كتلة ملحقة كبيرة ، يكون PAT محدودا. ثانيا ، يتطلب مجال الرؤية المحدود لمحول الطاقة الأمريكي مسح آفة أكبر بزوايا متعددة للحصول على متوسط أكثر تمثيلا لتباين rHbT و ٪ sO2 للآفة. ثالثا ، تم الإبلاغ عن تركيز الهيموغلوبين الكلي النسبي لأن قياسات PAT هي نتاج توزيع الطلاقة المحلية وملف الامتصاص البصري. من الصعب تقدير ملف تعريف الامتصاص البصري من القياسات في الجسم الحي . في الآونة الأخيرة ، تم استكشاف الأساليب القائمة على الشبكة العصبية لإعادة بناء تركيز الهيموغلوبين الكلي المطلق19 ، ولكن لا يزال يتعين التحقق من صحة هذه الأساليب. أخيرا ، يقتصر معدل الإطارات للتصوير الصوتي الضوئي متعدد الأطياف على السرعة التي يمكن لليزر بها ضبط طوله الموجي. يعمل الليزر عند 10 هرتز ويتم ضبطه ميكانيكيا ، ويستغرق الحصول على البيانات لأربعة أطوال موجية حوالي 15 ثانية ، لذلك هذا هو عنق الزجاجة في تحسين معدل الإطارات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس للمؤلفين أي مصالح مالية ذات صلة في المخطوطة ولا يوجد تضارب محتمل آخر في المصالح للإفصاح عنه.
Acknowledgments
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.
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).
