הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

פרוטוקול אולטרסאונד והדמיה פוטואקוסטית להדמיה טרנס-וגינלית של נגעים בשחלות

2.7K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/64864

⸱

3 במרץ 2023

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Washington University, 2Department of Electrical & Systems Engineering, Washington University, 3Department of Radiology, Washington University School of Medicine

במאמר זה

סיכום

אנו מדווחים על פרוטוקול אולטרסאונד והדמיה פוטואקוסטית להדמיה טרנס-וגינלית של נגעים בשחלות/אדנקסל. הפרוטוקול עשוי להיות בעל ערך למחקרי הדמיה פוטואקוסטית תרגומית אחרים, במיוחד אלה המשתמשים במערכי אולטרסאונד מסחריים לזיהוי אותות פוטואקוסטיים ואלגוריתמים סטנדרטיים ליצירת אלומות השהיה וסכום להדמיה.

תקציר

סרטן השחלות נותר הקטלני ביותר מבין כל הממאירויות הגינקולוגיות בשל היעדר כלי סינון אמינים לגילוי ואבחון מוקדם. הדמיה פוטואקוסטית או טומוגרפיה (PAT) היא שיטת הדמיה מתפתחת שיכולה לספק את ריכוז ההמוגלובין הכולל (קנה מידה יחסי, rHbT) וריווי חמצן בדם (%sO2) של נגעים בשחלות/אדנקסלים, שהם פרמטרים חשובים לאבחון סרטן. בשילוב עם אולטרסאונד משותף (US), PAT הוכיח פוטנציאל רב לגילוי סרטן השחלות ולאבחון מדויק של נגעים בשחלות להערכת סיכונים יעילה ולהפחתת ניתוחים מיותרים של נגעים שפירים. עם זאת, פרוטוקולי הדמיה PAT ביישומים קליניים, למיטב ידיעתנו, משתנים במידה רבה בין מחקרים שונים. כאן, אנו מדווחים על פרוטוקול הדמיה של סרטן השחלות הטרנס-וגינלי שיכול להועיל למחקרים קליניים אחרים, במיוחד אלה המשתמשים במערכי אולטרסאונד מסחריים לזיהוי אותות פוטואקוסטיים ואלגוריתמים סטנדרטיים ליצירת אלומות השהיה וסכום להדמיה.

מבוא

הדמיה פוטואקוסטית או טומוגרפיה (PAT) היא שיטת הדמיה היברידית המודדת את התפלגות הבליעה האופטית ברזולוציה אמריקאית ובעומקים הרבה מעבר לגבול הדיפוזיה האופטית של הרקמה (~1 מ"מ). ב-PAT, פולס לייזר של ננו-שנייה משמש לעורר רקמה ביולוגית, וגורם לעליית טמפרטורה חולפת עקב בליעה אופטית. זה מוביל לעליית לחץ ראשונית, והגלים הפוטואקוסטיים המתקבלים נמדדים על ידי מתמרים אמריקאים. PAT מולטיספקטרלי כרוך בשימוש בלייזר מתכוונן או במספר לייזרים הפועלים באורכי גל שונים כדי להאיר את הרקמה, ובכך לאפשר שחזור של מפות בליעה אופטיות באורכי גל מרובים. בהתבסס על ספיגה דיפרנציאלית של המוגלובין מחומצן ולא מחומצן בחלון האינפרא אדום הקרוב (NIR), PAT מולטיספקטרלי יכול לחשב את ההתפלגויות של ריכוזי המוגלובין מחומצן ולא מחומצן, ריכוז ההמוגלובין הכולל וריווי החמצן בדם, שהם כולם סמנים ביולוגיים פונקציונליים הקשורים לאנגיוגנזה של הגידול ולצריכת חמצון הדם או חילוף החומרים של הגידול. PAT הוכיח הצלחה ביישומים אונקולוגיים רבים, כגון סרטן השחלות1,2, סרטן השד 3,4,5, סרטן העור6, סרטן בלוטת התריס 7,8, סרטן צוואר הרחם9, סרטן הערמונית 10,11 וסרטן המעי הגס 12.

סרטן השחלות הוא הקטלני ביותר מכל הממאירויות הגינקולוגיות. רק 38% ממקרי סרטן השחלות מאובחנים בשלב מוקדם (מקומי או אזורי), שבו שיעור ההישרדות ל-5 שנים הוא 74.2% עד 93.1%. רובם מאובחנים בשלב מאוחר, שבו שיעור ההישרדות של 5 שנים הוא 30.8% או פחות13. שיטות האבחון הקליניות הנוכחיות, כולל אולטרה-סאונד טרנס-וגינלי (TUS), דופלר ארה"ב, אנטיגן סרטן בסרום 125 (CA 125) וחלבון אפידידימיס אנושי 4 (HE4), הוכחו כחסרות רגישות וספציפיות לאבחון מוקדם של סרטן השחלות14,15,16. בנוסף, חלק גדול מנגעי השחלות השפירים עשויים להיות קשים לאבחון מדויק עם טכנולוגיות הדמיה קיימות, מה שמוביל לניתוחים מיותרים עם עלויות בריאות מוגברות וסיבוכים כירורגיים. לפיכך, יש צורך בשיטות מדויקות ולא פולשניות נוספות לריבוד הסיכון של מסות אדנקסאליות כדי לייעל את הניהול והתוצאות. ברור שיש צורך בטכניקה רגישה וספציפית לסרטן שחלות בשלב מוקדם ומדויקת יותר בזיהוי נגעים ממאירים ונגעים שפירים.

הקבוצה שלנו פיתחה מערכת משולבת של US ו-PAT (USPAT) לאבחון סרטן השחלות על ידי שילוב של מערכת קלינית בארה"ב, נדן בדיקה מותאם אישית לאחסון הסיבים האופטיים להעברת אור, ולייזר1. ריכוז ההמוגלובין הכולל (קנה מידה יחסי, rHbT) וריווי החמצן בדם ((%sO2) הנגזרים ממערכת USPAT הוכיחו פוטנציאל רב לגילוי סרטן שחלות בשלב מוקדם ולאבחון מדויק של נגעים בשחלות לצורך הערכת סיכונים יעילה והפחתת ניתוחי נגעים שפירים מיותרים 1,2. סכימת המערכת הנוכחית מוצגת באיור 1, ודיאגרמת בלוק הבקרה מוצגת באיור 2. לאסטרטגיה זו יש פוטנציאל להשתלב בפרוטוקולי TUS קיימים לאבחון סרטן השחלות תוך מתן פרמטרים פונקציונליים (rHbT, %sO2) לשיפור הרגישות והספציפיות של TUS.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

כל המחקר שבוצע אושר על ידי מועצת הביקורת המוסדית של אוניברסיטת וושינגטון.

1. תצורת מערכת: תאורה אופטית (איור 1)

  1. השתמש בלייזר Nd:YAG השואב לייזר Ti-sapphire פועם ומכוון (690-890 ננומטר) ב- 10 הרץ.
  2. הרחב את קרן הלייזר על ידי סטיית הקרן תחילה עם עדשה קעורה פלאנו ולאחר מכן התנגשות הקרן עם עדשה קמורה פלנו. השתמש בשתי מראות כדי לכוון את הקרן אל מפצל קרן (מתואר להלן).
  3. פיצול קרן הלייזר המורחבת לארבע אלומות באנרגיה שווה על ידי פיצול הקרן המקורית לשתיים עם מפצל קרן מקטב ולאחר מכן פיצול שתי האלומות עם שני מפצלי קרן נוספים בשלב השני.
  4. הרכיבו ארבעה סיבים אופטיים מרובי מצבים עם צ'אקים לסיבים.
  5. השתמש בארבע עדשות פלאנו קמורות כדי למקד את ארבע קרני הלייזר לתוך ארבעת הסיבים.
  6. משיקולי בטיחות לייזר, כסו את כל הרכיבים האופטיים מתחת לקופסת מתכת כדי להבטיח שהנתיב האופטי לא ייחשף.
  7. חברו את הקצוות האחרים של ארבעת הסיבים לבדיקת האולטרסאונד הטרנס-וגינלי, וסגרו את הבדיקה ואת הסיבים במעטפת מגן.
    הערה: הנדן והחלון האקוסטי של המתמר מצופים בצבע לבן מחזיר אור במיוחד כדי לשפר את אחידות התאורה. מערך זה, הכולל שימוש בארבעה סיבים להעברת אור, הוכח בעבר כאופטימלי ליישומים טרנס-וגינליים17. עיין בדיון לקבלת מידע נוסף.

2. תצורת מערכת: ערכת זיהוי וסריקה קולית

  1. השתמש במערכת אמריקאית קלינית ניתנת לתכנות.
    הערה: מערכת ניתנת לתכנות פירושה שנתוני האולטרסאונד הגולמיים נגישים, וניתן לתכנת פרוטוקולים מותאמים אישית לרכישת נתונים ואלגוריתמים לעיבוד.
  2. חבר צג נוסף למערכת האמריקאית כדי להפעיל את תוכנת התצוגה USPAT לתצוגה חזותית בזמן אמת של rHbT, מפות %sO2 ופרמטרים פונקציונליים אחרים.
  3. חבר את ההדק הפנימי של הלייזר להדק החיצוני של המערכת האמריקאית.
  4. השתמש בגישת ריבוב חלוקת זמן במהלך מצב רישום משותף; באופן ספציפי, עבור כל אורך גל, לרכוש ברצף חמש מסגרות PAT רצופות ומסגרת אחת בארה"ב שנרשמה במשותף. ממוצע מסגרות PAT כדי לשפר את יחס האות לרעש. זמן איסוף הנתונים הכולל עבור ארבעה אורכי גל הוא בסביבות 15 שניות.

3. כיול המערכת

  1. הגדר את אנרגיית משאבת הלייזר לרמה קבועה.
  2. עבור כל אורך גל (750 ננומטר, 780 ננומטר, 800 ננומטר ו-830 ננומטר), בדוק את תפוקת האנרגיה לכל פולס בכל קצה סיב כדי לוודא שצפיפות האנרגיה המחושבת בכל אורך גל שנבחר היא בערך הצפוי המופיע בטבלה 1.
  3. אם תפוקת האנרגיה נמוכה מהצפוי, כוונן את היישור האופטי על-ידי התאמת זוויות מפצל המראה והקרן. שלב זה לא תמיד נחוץ.
  4. חזור על שלבים 3.2-3.4 עד שהאנרגיה משביעת רצון.
  5. רשום את תפוקת האנרגיה של ארבעת הסיבים בכל אורך גל, והזן את הערכים בתוכנת התצוגה USPAT.
    הערה: ערכים אלה משמשים לכיול החישוב של rHbT. אנרגיית הלייזר משתנה עם הזמן, והכיול מבטיח שהפרמטרים הכמותיים המחושבים מנתוני ה- PAT המולטיספקטרליים מדויקים ככל האפשר.

4. הליך ניסויי לדוגמה: הדמיה USPAT Transvaginal של השחלה האנושית

  1. הכנת מערכת הדמיה USPAT
    1. יש לחטא את בדיקת האנדוקוויט בארה"ב ואת נדן הכיסוי בפרוטוקול ניקוי בדיקת האולטרסאונד הסטנדרטי במוסד.
    2. הפעל את מערכת US הקלינית, הפעל את תוכנת המערכת US ובחר את המתמר US הנכון.
    3. כייל את מערכת הלייזר כמו בשלב 3.
    4. הזן את אנרגיית הפולס הכוללת עבור כל אורך גל בתוכנת התצוגה USPAT.
    5. הרכיבו את הגשושית USPAT על ידי סגירת הסיבים והגשושית בתוך נדן הבדיקה.
  2. הכנת המטופל
    1. עקוב אחר הפרוטוקול הספציפי למוסד כדי לקבל הסכמה מדעת ולהכין את המטופל.
  3. דימות
    1. אתר את שחלות המטרה באמצעות PULSE-echo US.
      הערה: שלב זה נעשה על ידי רופא המחקר, אשר חופשי להתאים את פרמטרי ההדמיה במכשיר האמריקאי הקליני, כגון עומק, טווח דינמי ו- TGC.
    2. בחר את העומק הרצוי בתוכנת הבקרה USPAT.
    3. לחץ על סריקה בתוכנת הבקרה כדי להתחיל את רכישת הנתונים במצב B של USPAT הרשומה במשותף. צפה בתוכנת תצוגת התמונות USPAT כדי לסקור את התמונות הרשומות במשותף של ארה"ב ו- PAT במצב B ומפות פונקציונליות משוחזרות בזמן אמת.
    4. חזור על שלבים 4.3.1-4.3.3 כדי להשיג תמונות נוספות (ואם יש צורך) תמונה של הנגע השני.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

כאן, אנו מראים דוגמאות של נגעים ממאירים ונורמליים בשחלות שצולמו על ידי USPAT. איור 3 מראה אישה בת 50 לפני גיל המעבר עם מסות אדנקסל מולטיציסטיות דו-צדדיות שהתגלו על-ידי CT משופר בניגוד. איור 3A מראה את התמונה האמריקאית של האדנקסה השמאלית עם החזר השקעה המסמן את הגולם המוצק החשוד בתוך הנגע הציצי. איור 3B מראה את מפת PAT rHbT המונחת על גבי ארה"ב ומוצגת באדום. ה- rHbT הראה פיזור נרחב של כלי הדם המפוזרים בטווח העומק של 1 ס"מ עד 5 ס"מ והרמ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

תאורה אופטית
מספר הסיבים בהם נעשה שימוש מבוסס על שני גורמים: אחידות תאורת האור ומורכבות המערכת. חשוב שתהיה תבנית הארה אחידה על פני העור כדי למנוע נקודות חמות. חשוב גם לשמור על המערכת פשוטה וחזקה עם מספר מינימלי של סיבים. השימוש בארבעה סיבים נפרדים הוכח בעבר כאופטימלי ליצירת תאורה אחידה בעומקים של מספר מילימטרים ומעבר לכך. בנוסף, צימוד האור לארבעה סיבים אופטיים הוא פשוט וחזק יחסית, לפי הצורך במחקרי מטופלים. הראינו בעבר כי השימוש בארבעה סיבים אופטיים רב-מצבי בעלי ליבה של 1 מ"מ, כאשר קצות הסיבים במרחק של...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין אינטרסים כספיים רלוונטיים בכתב היד ואין ניגודי עניינים פוטנציאליים אחרים לחשוף.

תודות

עבודה זו נתמכה על ידי NCI (R01CA151570, R01CA237664). המחברים מודים לכל הקבוצה האונקולוגית הגינקולוגית בראשות ד"ר מתיו פאוול על הסיוע בגיוס חולים, לרדיולוגים ד"ר קרי סיגל, ויליאם מידלטון ומלכ איטנאי על עזרתם במחקרים בארה"ב, ולפתולוג ד"ר איאן האגמן על הסיוע בפענוח הפתולוגי של הנתונים. המחברים מודים בהכרת תודה על מאמציהם של מייגן לותר ומתאמי המחקר הגינקולוגי בתיאום לוחות הזמנים של המחקר, זיהוי מטופלים למחקר וקבלת הסכמה מדעת.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מערכת הדמיה קלינית בארה"בAlpinion Medical SystemsEC-12Rמערכת קלינית אמריקאית לתכנות מלא
מראה דיאלקטריתThorlabsBB1-E03משמש להחזרת אור לאורך הנתיב האופטי
מתמר Endocavity USAlpinion Medical SystemsEC3-10בדיקת אולטרסאונד טרנס-ווגינלית
מד כוח לייזרקוהרנטיLabMax TOPבשימוש למדידת אנרגיית לייזר
סיבים אופטיים רב-מצבייםThorlabsFP1000ERTזוג אור לייזר לבדיקת האולטרסאונד הפנימית
צלחת מפצל קרן לא מקטבתThorlabsBSW11לפיצול קרן לייזר לחיישנים למדידת אנרגיה
עדשה פלנו-קעורהThorlabsLC1715להרחבת קרן לייזר
עדשת פלנו-קמורה ThorlabsLA1484-Bלקולימציה של קרן לייזר
עדשה פלנו-קמורה ThorlabsLA1433-Bמשמש למיקוד אור לארבעה סיבים אופטיים
קוביית מפצל קרן מקטבתThorlabsPBS252לפיצול קרן לייזר לארבע קרניים
בדיקה מגן shealthמותאם אישית מודפסהחזק והגן על ארבעת הסיבים האופטיים בקצה בדיקת האולטרסאונד
מראה פריזמה בזווית ישרהThorlabsMRA25-E03משמש להחזרת אור לאורך הנתיב האופטי
מערכת לייזר מתכווננתSymphotic TIILS-2145-LT50PCמקור אור עבור תוכנת בקרת PAT USPAT מולטי-ספקטרלית
פותחה בהתאמה אישית בפרמטרי רכישת C++Controls של מכונת האולטרסאונד ותוכנת תצוגת התמונה USPAT באורך גל הלייזר
פותחה בהתאמה אישית ב-C++מציגה את סריקות ה-US/PAT B-סריקות ומפות sO2/rHbT במציאות זמן
תלת מימד

מקורות

  1. Nandy, S., et al. Evaluation of ovarian cancer: Initial application of coregistered photoacoustic tomography and US. Radiology. 289 (3), 740-747 (2018).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Menezes, G. L. G., et al. Downgrading of breast masses suspicious for cancer by using optoacoustic breast imaging. Radiology. 288 (2), 355-365 (2018).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Han, S., Lee, H., Kim, C., Kim, J. Review on multispectral photoacoustic analysis of cancer: Thyroid and breast. Metabolites. 12 (5), 382(2022).
  8. Kim, J., et al. Multiparametric photoacoustic analysis of human thyroid cancers in vivo. Cancer Research. 81 (18), 4849-4860 (2021).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Kothapalli, S. -R., et al. Simultaneous transrectal ultrasound and photoacoustic human prostate imaging. Science Translational Medicine. 11 (507), 2169(2019).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Oppenheim, A. V., Schafer, R. W. Digital Signal Processing. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (1975).
  19. Zou, Y., Amidi, E., Luo, H., Zhu, Q. Ultrasound-enhanced Unet model for quantitative photoacoustic tomography of ovarian lesions. Photoacoustics. 28, 100420(2022).
  20. Prince, J. L., Links, J. M. Medical Imaging Signals and Systems. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (2006).
  21. Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Scientific Reports. 6, 35137(2016).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

פרוטוקול אולטרסאונד והדמיה פוטואקוסטית להדמיה טרנס-וגינלית של נגעים בשחלות
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.