Name: Ein gemeinsames Ultraschall- und photoakustisches Bildgebungsprotokoll für die transvaginale Bildgebung von Ovarialläsionen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-03T14:15:00.000+00:00
Duration: 10 min 21 s
Description: Erfahren Sie ein kombiniertes Ultraschall- und photoakustisches Bildgebungsprotokoll für die transvaginale Diagnostik von Ovarialläsionen. Diese Methode verbessert die Früherkennung von Eierstockkrebs und reduziert unnötige Operationen.

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Diese Arbeit wurde vom NCI unterstützt (R01CA151570, R01CA237664). Die Autoren danken der gesamten GYN-Onkologie-Gruppe unter der Leitung von Dr. Mathew Powell für die Hilfe bei der Rekrutierung von Patienten, den Radiologen Dr. Cary Siegel, Dr. William Middleton und Dr. Malak Itnai für die Unterstützung bei den US-Studien und dem Pathologen Dr. Ian Hagemann für die Hilfe bei der pathologischen Interpretation der Daten. Die Autoren danken Megan Luther und den Koordinatoren der GYN-Studie bei der Koordination der Studienpläne, der Identifizierung von Patienten für die Studie und der Einholung einer Einverständniserklärung.

Alle durchgeführten Forschungsarbeiten wurden vom Institutional Review Board der Washington University genehmigt.
1. Systemkonfiguration: Optische Beleuchtung (Abbildung 1)
<ol><li>Verwenden Sie einen Nd:YAG-Laser, der einen gepulsten, abstimmbaren (690-890 nm) Ti-Saphir-Laser mit 10 Hz pumpt.</li>
	<li>Erweitern Sie den Laserstrahl, indem Sie den Strahl zuerst mit einer plankonkaven Linse divergieren und dann den Strahl mit einer plankonvexen Linse kollimieren. Verwenden Sie zwei Spiegel, um den Strahl auf einen Strahlteiler zu richten (siehe unten).</li>
	<li>Teilen Sie den expandierten Laserstrahl in vier Strahlen mit gleicher Energie auf, indem Sie den ursprünglichen Strahl mit einem polarisierenden Strahlteiler in zwei Teile aufteilen und dann die beiden Strahlen mit zwei weiteren Strahlteilern der zweiten Stufe aufteilen.</li>
	<li>Montieren Sie vier Multimode-Glasfasern mit Faserfuttern.</li>
	<li>Verwenden Sie vier plankonvexe Linsen, um die vier Laserstrahlen in die vier Fasern zu fokussieren.</li>
	<li>Decken Sie aus Gründen der Lasersicherheit alle optischen Komponenten unter einem Metallgehäuse ab, um sicherzustellen, dass der optische Pfad nicht freigelegt wird.</li>
	<li>Befestigen Sie die anderen Enden der vier Fasern an der transvaginalen Ultraschallsonde und schließen Sie die Sonde und die Fasern in eine Schutzhülle ein. HINWEIS: Der Mantel und das akustische Fenster des Wandlers sind mit hochreflektierender weißer Farbe beschichtet, um die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung zu verbessern. Dieser Aufbau, einschließlich der Verwendung von vier Fasern für die Lichtabgabe, hat sich zuvor als optimal für transvaginale Anwendungen erwiesen17. Weitere Informationen finden Sie in der Diskussion.</li>
</ol>2. Systemkonfiguration: Ultraschall-Erkennungs- und Scan-Schema
<ol><li>Verwenden Sie ein programmierbares klinisches US-System. HINWEIS: Ein programmierbares System bedeutet, dass die Ultraschall-Rohdaten zugänglich sind und benutzerdefinierte Datenerfassungsprotokolle und Verarbeitungsalgorithmen programmiert werden können.</li>
	<li>Schließen Sie einen zusätzlichen Monitor an das US-System an, um die USPAT-Anzeigesoftware für die Echtzeitvisualisierung der rHbT-, %sO2-Karten und anderer Funktionsparameter auszuführen.</li>
	<li>Verbinden Sie den internen Trigger des Lasers mit dem externen Trigger des US-Systems.</li>
	<li>Verwenden Sie einen Zeitmultiplex-Ansatz während des Co-Register-Modus. Erfassen Sie für jede Wellenlänge sequenziell fünf aufeinanderfolgende PAT-Frames und einen mitregistrierten US-Frame. Mittelwert der PAT-Frames, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Die gesamte Datenerfassungszeit für vier Wellenlängen beträgt etwa 15 s.</li>
</ol>3. Systemkalibrierung
<ol><li>Stellen Sie die Energie der Laserpumpe auf ein festes Niveau ein.</li>
	<li>Überprüfen Sie für jede Wellenlänge (750 nm, 780 nm, 800 nm und 830 nm) die Energieabgabe pro Puls an jeder Faserspitze, um sicherzustellen, dass die berechnete Energiedichte bei jeder ausgewählten Wellenlänge dem in Tabelle 1 angegebenen Erwartungswert entspricht.</li>
	<li>Wenn die Energieabgabe geringer als erwartet ist, passen Sie die optische Ausrichtung an, indem Sie die Spiegel- und Strahlteilerwinkel anpassen. Dieser Schritt ist nicht immer erforderlich.</li>
	<li>Wiederholen Sie die Schritte 3.2-3.4, bis die Energie zufriedenstellend ist.</li>
	<li>Zeichnen Sie die Energieabgabe der vier Fasern bei jeder Wellenlänge auf und geben Sie die Werte in die USPAT-Anzeigesoftware ein. HINWEIS: Diese Werte werden verwendet, um die Berechnung des rHbT zu kalibrieren. Die Laserenergie schwankt im Laufe der Zeit, und die Kalibrierung stellt sicher, dass die quantitativen Parameter, die aus den multispektralen PAT-Daten berechnet werden, so genau wie möglich sind.</li>
</ol>4. Ein Beispiel für ein experimentelles Verfahren: Transvaginale USPAT-Bildgebung des menschlichen Eierstocks
<ol><li>Vorbereitung des USPAT-Bildgebungssystems<ol><li>Desinfizieren Sie die endokavitätische US-Sonde und die Abdeckhülle mit dem Standard-Reinigungsprotokoll der Ultraschallsonde in der Einrichtung.</li>
		<li>Schalten Sie das klinische US-System ein, starten Sie die US-Systemsoftware und wählen Sie den richtigen US-Schallkopf aus.</li>
		<li>Kalibrieren Sie das Lasersystem wie in Schritt 3.</li>
		<li>Geben Sie die Gesamtpulsenergie für jede Wellenlänge in die USPAT-Anzeigesoftware ein.</li>
		<li>Montieren Sie die USPAT-Sonde, indem Sie die Fasern und die Sonde in die Sondenhülle einschließen.</li>
	</ol></li>
	<li>Vorbereitung des Patienten<ol><li>Befolgen Sie das einrichtungsspezifische Protokoll, um eine Einverständniserklärung zu erhalten und den Patienten vorzubereiten.</li>
	</ol></li>
	<li>Bildgebung<ol><li>Lokalisieren Sie den Ziel-Eierstock mit Puls-Echo-US. HINWEIS: Dieser Schritt wird vom Prüfarzt durchgeführt, der die Bildgebungsparameter auf dem klinischen US-Gerät wie Tiefe, Dynamikumfang und TGC einstellen kann.</li>
		<li>Wählen Sie die gewünschte Tiefe in der USPAT-Steuerungssoftware aus.</li>
		<li>Klicken Sie in der Steuerungssoftware auf Scannen , um die mitregistrierte USPAT B-Mode-Datenerfassung zu starten. Sehen Sie sich die USPAT-Bildanzeigesoftware an, um die mitregistrierten US- und PAT-B-Mode-Bilder zu überprüfen und funktionale Karten in Echtzeit zu rekonstruieren.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 4.3.1-4.3.3, um weitere Bilder aufzunehmen und (falls erforderlich) die zweite Läsion abzubilden.</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: 
 <a target="_blank" href="https://seer.cancer.gov/statfacts/html/ovary.html">https://seer.cancer.gov/statfacts/html/ovary.html</a> (2022).</li>
<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>

Die Autoren haben keine relevanten finanziellen Interessen an dem Manuskript und keine anderen potenziellen Interessenkonflikte offenzulegen.

Optische Beleuchtung Die Anzahl der verwendeten Fasern basiert auf zwei Faktoren: der Gleichmäßigkeit der Lichtausleuchtung und der Systemkomplexität. Es ist wichtig, ein gleichmäßiges Lichtausleuchtungsmuster an der Hautoberfläche zu haben, um Hot Spots zu vermeiden. Es ist auch wichtig, das System einfach und robust mit einer minimalen Anzahl von Fasern zu halten. Die Verwendung von vier separaten Fasern hat sich bereits als optimal erwiesen, um eine gleichmäßige Ausleuchtung in Tiefen von mehreren ...

Die photoakustische Bildgebung oder Tomographie (PAT) ist eine hybride Bildgebungsmodalität, die die optische Absorptionsverteilung bei US-Auflösung und Tiefen weit über die optische Diffusionsgrenze des Gewebes (~ 1 mm) hinaus misst. Bei PAT wird ein Nanosekunden-Laserpuls verwendet, um biologisches Gewebe anzuregen, was aufgrund der optischen Absorption zu einem vorübergehenden Temperaturanstieg führt. Dies führt zu einem anfänglichen Druckanstieg, und die resultierenden photoakustischen Wellen werden von US-Wandlern gemessen. Multispektraler PAT beinhaltet die Verwendung eines durchstimmbaren Lasers oder mehrerer Laser, die bei verschiedenen Wellenlängen arbeiten, um das Gewebe zu beleuchten und so die Rekonstruktion optischer Absorptionskarten bei mehreren Wellenlängen zu ermöglichen. Basierend auf der differentiellen Absorption von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin im Nahinfrarot-Fenster (NIR) kann der multispektrale PAT die Verteilungen der oxygenierten und desoxygenierten Hämoglobinkonzentrationen, der Gesamthämoglobinkonzentration und der Blutsauerstoffsättigung berechnen, die alle funktionelle Biomarker im Zusammenhang mit der Tumorangiogenese und dem Sauerstoffverbrauch des Blutes oder dem Tumorstoffwechsel sind. PAT hat sich in vielen onkologischen Anwendungen als erfolgreich erwiesen, wie z.B. Eierstockkrebs1,2, Brustkrebs 3,4,5, Hautkrebs 6, Schilddrüsenkrebs7,8, Gebärmutterhalskrebs 9, Prostatakrebs 10,11 und Darmkrebs 12.
Eierstockkrebs ist die tödlichste aller gynäkologischen Malignome. Nur 38% der Eierstockkrebserkrankungen werden in einem frühen (lokalisierten oder regionalen) Stadium diagnostiziert, in dem die 5-Jahres-Überlebensrate zwischen 74,2% und 93,1% liegt. Die meisten werden in einem späten Stadium diagnostiziert, für das die 5-Jahres-Überlebensrate 30,8% oder weniger beträgt13. Aktuelle klinische Diagnosemethoden, einschließlich der transvaginalen Sonographie (TUS), des Doppler-US, des Serumkrebsantigens 125 (CA 125) und des humanen Nebenhodenproteins 4 (HE4), haben gezeigt, dass es ihnen an Sensitivität und Spezifität für die frühe Diagnose von Eierstockkrebs mangelt14,15,16. Darüber hinaus kann es schwierig sein, einen großen Teil der gutartigen Ovarialläsionen mit den derzeitigen Bildgebungstechnologien genau zu diagnostizieren, was zu unnötigen Operationen mit erhöhten Gesundheitskosten und chirurgischen Komplikationen führt. Daher sind zusätzliche genaue nicht-invasive Methoden zur Risikostratifizierung von Adnexmassen erforderlich, um das Management und die Ergebnisse zu optimieren. Es ist klar, dass eine Technik erforderlich ist, die empfindlich und spezifisch für Eierstockkrebs im Frühstadium ist und bei der Identifizierung von bösartigen und gutartigen Läsionen genauer ist.
Unsere Gruppe hat ein co-registriertes transvaginales US- und PAT-System (USPAT) für die Diagnose von Eierstockkrebs entwickelt, indem sie ein klinisches US-System, eine maßgeschneiderte Sondenhülle zur Aufnahme der optischen Fasern für die Lichtabgabe und einen abstimmbaren Laser1 kombiniert. Die Gesamthämoglobinkonzentration (relative Skala, rHbT) und die Blutsauerstoffsättigung (%sO2), die aus dem USPAT-System abgeleitet wurden, haben ein großes Potenzial für die Erkennung von Eierstockkrebs im Frühstadium und für die genaue Diagnose von Ovarialläsionen für eine effektive Risikobewertung und die Reduzierung unnötiger Operationen an gutartigen Läsionen gezeigt 1,2. Der aktuelle Schaltplan des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt, und das Steuerblockdiagramm ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Strategie hat das Potenzial, in bestehende TUS-Protokolle für die Diagnose von Eierstockkrebs integriert zu werden und gleichzeitig funktionelle Parameter (rHbT, %sO2) bereitzustellen, um die Sensitivität und Spezifität von TUS zu verbessern.

<table><tbody><tr><td>Klinisches US-Bildgebungssystem</td><td>Alpinion Medical Systems</td><td>EC-12R</td><td>Voll programmierbares klinisches US-System</td></tr><tr><td>Dielektrischer Spiegel</td><td>Thorlabs</td><td>BB1-E03</td><td>Wird verwendet, um Licht entlang des Strahlengangs zu reflektieren</td></tr><tr><td>Endocavity US-Schallkopf</td><td>Alpinion Medical Systems</td><td>EC3-10</td><td>Transvaginale Ultraschallsonde</td></tr><tr><td>Laserleistungsmesser</td><td>Coherent</td><td>LabMax TOP</td><td>Verwendet zur Messung der Laserenergie</td></tr><tr><td>Multimode-Glasfaser</td><td>Thorlabs</td><td>FP1000ERT</td><td>Kopplung des Laserlichts an die endokavistische Ultraschallsonde</td></tr><tr><td>Nichtpolarisierende Strahlteilerplatte</td><td>Thorlabs</td><td>BSW11</td><td>Zur Aufteilung des Laserstrahls in Sensoren zur Messung der Energie</td></tr><tr><td>Plankonkave Linse</td><td>Thorlabs</td><td>LC1715</td><td>Zur Laserstrahlausdehnung</td></tr><tr><td>Plankonvexe Linse&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>LA1484-B</td><td>Für die Kollimation von Laserstrahlen</td></tr><tr><td>Plankonvexe Linse&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>LA1433-B</td><td>Wird verwendet, um Licht in vier optische Fasern zu fokussieren</td></tr><tr><td>Polarisationsstrahlteilerwürfel</td><td>Thorlabs</td><td>PBS252</td><td>Zum Aufteilen des Laserstrahls in vier</td></tr><tr><td>Strahlen Schutzsonde shealth</td><td>Kundenspezifischer 3D-gedruckter</td><td></td><td>Halt und Schutz der vier optischen Fasern an der Spitze der Ultraschallsonde</td></tr><tr><td>Rechtwinkliger Prismenspiegel</td><td>Thorlabs</td><td>MRA25-E03</td><td>Wird verwendet, um Licht entlang des Strahlengangs zu reflektieren</td></tr><tr><td>Abstimmbares Lasersystem</td><td>Symphotic TII</td><td>LS-2145-LT50PC</td><td>Lichtquelle für multispektrale PAT</td></tr><tr><td>USPAT-Steuerungssoftware</td><td>Speziell entwickelt in C++</td><td></td><td>Steuert die Erfassungsparameter des Ultraschallgeräts und der Laserwellenlänge</td></tr><tr><td>USPAT-Bildanzeigesoftware</td><td>Speziell entwickelt in C++</td><td></td><td>Zeigt die US/PAT B-Scans und sO2/rHbT-Karten in Echtzeit an Zeit</td></tr></tbody></table>

ein gemeinsames ultraschall- und photoakustisches bildgebungsprotokoll für die transvaginale bildgebung von ovarialläsionen

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

Eierstockkrebs ist nach wie vor die tödlichste aller gynäkologischen Malignome, da es an zuverlässigen Screening-Instrumenten zur Früherkennung und Diagnose mangelt. Die photoakustische Bildgebung oder Tomographie (PAT) ist eine neue Bildgebungsmethode, die die Gesamthämoglobinkonzentration (relative Skala, rHbT) und die Blutsauerstoffsättigung (%sO2) von Eierstock- / Adnexläsionen liefern kann, die wichtige Parameter für die Krebsdiagnose sind. In Kombination mit koregistriertem Ultraschall (US) hat PAT ein großes Potenzial für die Erkennung von Eierstockkrebs und für die genaue Diagnose von Ovarialläsionen für eine effektive Risikobewertung und die Reduzierung unnötiger Operationen von gutartigen Läsionen gezeigt. Unseres Wissens unterscheiden sich die PAT-Bildgebungsprotokolle in klinischen Anwendungen jedoch stark zwischen verschiedenen Studien. Hier berichten wir über ein transvaginales Bildgebungsprotokoll für Eierstockkrebs, das für andere klinische Studien von Vorteil sein kann, insbesondere für solche, die kommerzielle Ultraschall-Arrays zur Erkennung photoakustischer Signale und Standard-Delay-and-Sum-Beamforming-Algorithmen für die Bildgebung verwenden.

Hier zeigen wir Beispiele für maligne und normale Ovarialläsionen, die von USPAT abgebildet wurden. Abbildung 3 zeigt eine 50-jährige prämenopausale Frau mit bilateralen multizystischen Adnexmassen, die durch kontrastmittelverstärkte CT aufgedeckt wurden. Abbildung 3A zeigt das US-Bild der linken Adnexe mit dem ROI, der den verdächtigen festen Knoten innerhalb der zystischen Läsion markiert. Abbildung 3B zeigt die PAT-rHbT-Karte, di...

Wir berichten über ein koregistriertes Ultraschall- und photoakustisches Bildgebungsprotokoll für die transvaginale Bildgebung von Eierstock-/Adnexläsionen. Das Protokoll kann für andere translationale photoakustische Bildgebungsstudien wertvoll sein, insbesondere für solche, die kommerzielle Ultraschall-Arrays für die Detektion photoakustischer Signale und Standard-Delay-and-Sum-Beamforming-Algorithmen für die Bildgebung verwenden.

Ein gemeinsames Ultraschall- und photoakustisches Bildgebungsprotokoll für die transvaginale Bildgebung von Ovarialläsionen

Ovarian cancer remains the deadliest of all the gynecological malignancies due to the lack of reliable screening tools for early detection and diagnosis. ...

Da wir alle wissen, dass Eierstockkrebs die tödlichste aller gynäkologischen Malignome ist, können Operation und Chemotherapie etwa 70 bis 90% der Patienten heilen, wenn Eierstockkrebs in einem früheren und lokalisierten Stadium erkannt wird, verglichen mit nur 20% oder weniger, wenn es in den späteren Stadien diagnostiziert wird. Und es ist bekannt, dass die derzeitigen Standardbehandlungsmethoden eine geringere Empfindlichkeit für die Früherkennung von Eierstockkrebs aufweisen. Darüber hinaus weisen Standardbehandlungsmethoden eine sehr geringe Spezifität für eine genaue Risikobewertung von ovariellen Adnexläsionen auf, was zu unnötigen Operationen führt, was zu potenziellen chirurgischen Komplikationen und erheblichen Gesundheitskosten führt.Daher ist unsere Technologie für die Früherkennung von Eierstockkrebs empfindlich und spezifisch für die genaue Diagnose von Ovarial-Adnex-Läsionen erforderlich. Die Photoakustische Tomographie oder PAT leuchtet mit Nahinfrarotlicht bei bestimmten Wellenlängen und wird selektiv von sauerstoffreichem und desoxygeniertem Hämoglobin absorbiert. Die photoakustische Welle, die durch die Lichtabsorption erzeugt wird, kann den Hämoglobinkontrast abbilden, und dies kann auf anatomische Strukturen angewendet werden, die durch mitregistrierten Ultraschall abgebildet werden.Die Gesamthämoglobinkonzentration und die Sauerstoffsättigung liefern funktionelle Informationen über die Vaskularität und den Sauerstoffverbrauch des Gewebes. Da maligne Läsionen im Allgemeinen ein höheres Gesamthämoglobin und eine niedrigere Sauerstoffsättigung aufweisen, können diese beiden unabhängigen Variablen dazu beitragen, Eierstockkrebs früher zu erkennen und bösartige von gutartigen ovariellen Adnexläsionen genau zu unterscheiden, um die Empfehlungen für die chirurgische Behandlung zu verbessern. Und wir haben den Piloten von Patientendaten erhalten und die Ergebnisse haben gezeigt, dass die photoakustische Bildgebung in Kombination mit transvaginalem Ultraschall und dem Eierstockkrebs-Blutbiomarker CA 125 tatsächlich ovarielle Adnexläsionen diagnostizieren kann.Unsere Pilotdaten zeigen auch, dass die photoakustische Bildgebung Eierstock- und Eileiterkrebs im Frühstadium erkennen kann. Und photoakustische und Ultraschall wurden zur Erkennung und Diagnose von Brustkrebs, Hautkrebs, Schilddrüsenkrebs, Gebärmutterhalskrebs, Prostatakrebs und Darmkrebs angewendet. Die bildgebenden Sonden variieren jedoch je nach Bildgebungsfenster verschiedener Organe.Das erste kommerzielle, mitregistrierte photoakustische und Ultraschall-Brustbildgebungssystem ist von Sino Medical Instrument erhältlich. Wir gehen davon aus, dass weitere kommerziell mitregistrierte photoakustische Ultraschallsysteme auf dem Markt erhältlich sein werden. Die transvaginalen photoakustischen und Ultraschall-Bildgebungssonden müssen jedoch speziell für bildgebende Patienten entwickelt werden.Erweitern Sie zunächst den Laserstrahl, indem Sie den Strahl zuerst mit einer plankonkaven Linse divergieren und dann den Strahl mit einer plankonvexen Linse kollimieren. Verwenden Sie zwei Spiegel, um den Strahl auf einen Strahlteiler zu richten. Teilen Sie den ursprünglichen Strahl mit einem polarisierenden Strahlteiler in zwei Teile und teilen Sie dann die beiden Strahlen mit zwei weiteren Strahlteilern der zweiten Stufe.Auf diese Weise wird der expandierte Laserstrahl in vier Strahlen mit gleicher Energie aufgeteilt. Montieren Sie vier Multimode-Glasfasern mit Faserfuttern und verwenden Sie vier plankonvexe Linsen, um die vier Laserstrahlen in die vier Fasern zu fokussieren. Decken Sie alle optischen Komponenten unter einem Metallgehäuse ab, um sicherzustellen, dass der optische Pfad nicht freigelegt wird.Schließen Sie einen zusätzlichen Monitor an das programmierbare klinische Ultraschall- oder Ultraschallsystem an, um die PATUS-Display-Software für die Echtzeit-Visualisierung des relativen Gesamthämoglobins, der Blutsauerstoffsättigungskarten und anderer funktioneller Parameter auszuführen. Verbinden Sie dann den internen Trigger des Lasers mit dem externen Trigger des Ultraschallsystems und erfassen Sie nacheinander fünf aufeinanderfolgende PAT-Frames und einen mitregistrierten Ultraschall-Frame. Um das System zu kalibrieren, stellen Sie die Laserpumpenenergie auf ein festes Niveau ein.Überprüfen Sie für jede Wellenlänge die Energieabgabe pro Puls an jeder Faserspitze, um sicherzustellen, dass die berechnete Energiedichte bei jeder ausgewählten Wellenlänge dem erwarteten Wert entspricht. Um das PATUS-Bildgebungssystem vorzubereiten, schalten Sie das klinische Ultraschallsystem ein und starten Sie die Ultraschallsystemsoftware. Drücken Sie die Schallkopftaste auf dem Bedienfeld des Ultraschallgeräts, um den Auswahlbildschirm für den Schallkopf zu öffnen.Wählen Sie dann den richtigen Ultraschallwandler aus. Kalibrieren Sie das Lasersystem und geben Sie die Gesamtpulsenergie für jede Wellenlänge in die PATUS-Display-Software ein. Montieren Sie die PATUS-Sonde, indem Sie die Fasern und die Sonde in die Sondenhülle einschließen.Passen Sie für die Bildgebung die Position des PATUS-Wandlers an. Ein echoarmes Ziel zeigt sich langsam in der Mitte des B-Bildes. Wählen Sie dann in der PATUS-Steuerungssoftware die gewünschte Tiefe aus und klicken Sie in der Steuerungssoftware auf Scannen, um die mitregistrierte PATUS B-Mode-Datenerfassung zu starten.Sehen Sie sich die PATUS-Bildanzeigesoftware an, um die registrierten Ultraschall- und PAT-B-Mode-Bilder in Echtzeit zu überprüfen. Die PA-Daten einer Wellenlänge werden bei der Erfassung auf dem Ultraschall angezeigt. Wiederholen Sie die Schritte, um weitere Bilder zu erhalten, und bilden Sie bei Bedarf die zweite Läsion ab.Ist die Datenerfassung abgeschlossen, erhält die PATUS-Display-Software einen Trigger, um die Funktionskarten zu rekonstruieren. Hier zeigt das linke Bild den Ultraschall-B-Scan, während das rechte Bild das relative Gesamthämoglobin zeigt, das mit dem mitregistrierten Ultraschall überlagert ist. Wählen Sie eine Region von Interesse oder ROI aus, hier den Ziel-Eierstock, um die SO2-Karte innerhalb des ROI zu berechnen.Dieses Bild zeigt eine 50-jährige prämenopausale Frau mit bilateralen multizystischen Adnexmassen, die durch kontrastverstärkte CT aufgedeckt wurden. Das Ultraschallbild der linken Adnexe mit der interessierenden Region oder dem ROI, die den verdächtigen festen Knoten innerhalb der zystischen Läsion markiert, ist hier dargestellt. Die PAT-Karte des relativen Gesamthämoglobins wurde dem Ultraschall überlagert. Das relative Gesamthämoglobin zeigte eine ausgedehnte diffuse vaskuläre Verteilung im Tiefenbereich von einem Zentimeter bis fünf Zentimetern und der Wert war mit 17,1 hoch.Die Verteilung der Blutsauerstoffsättigung wurde dem Ultraschall überlagert und der Wert war mit einem Mittelwert von 46,4% niedrig.Die chirurgische Pathologie zeigte das gut differenzierte endometrioide Adenokarzinom sowohl der rechten als auch der linken Eierstöcke. Die Tiefe wurde auf der rechten Seite der B-Bild-Bilder markiert. Diese Abbildung zeigt eine 46-jährige Frau mit beidseitigen zystischen Läsionen.Der Ultraschall des rechten Eierstocks mit einer einfachen Zyste von 4,2 Zentimetern maximalem Durchmesser ist hier zu sehen. Die PAT-Karte des relativen Gesamthämoglobins, die dem mitregistrierten Ultraschall überlagert ist, zeigt Streusignale auf der linken Seite der Läsion mit einem niedrigen Durchschnittswert von 4,8. Die Blutsauerstoffsättigungskarte ergab einen höheren Sauerstoffsättigungsgehalt von 67,5%Die chirurgische Pathologie ergab einen normalen rechten Eierstock mit follikulären Zysten.Messen Sie für jede Wellenlänge die Gesamtenergieabgabe an den vier Faserspitzen und vergleichen Sie sie mit einer früheren Aufzeichnung. Wenn die Messung mehr als ein Millijoule unter dem Rekord liegt, passen Sie die Optik an, um die Energiekopplung zu maximieren. Die In-vivo-PAT unter Verwendung eines von der FDA zugelassenen klinischen Ultraschallsystems ist ein wichtiger Schritt in der klinischen Umsetzung von PAT.Im Vergleich zur Ex-vivo-Bildgebung stellt die In-vivo-Bildgebung beim Menschen neue Herausforderungen bei der Datenerfassung dar. Klinische PAT-Daten können weiterhin für die computergestützte Diagnoseforschung verwendet werden. Unsere Technologieentwicklung und das vielversprechende Ergebnis einer Pilotstudie inspirieren Forscher und Unternehmen, die volle Leistungsfähigkeit der photoakustischen und Ultraschall-Applikationen für die Früherkennung von Eierstockkrebs und für das chirurgische Risikomanagement zu erforschen.

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Research

Forschung

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Engineering

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