פרוטוקול זה מתאר את הליך ההדמיה של מכשיר הדמיה במיקרוגל להדמיית שד.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
פרוטוקול זה מתאר את הליך ההדמיה של מכשיר הדמיה במיקרוגל להדמיית שד.
סרטן השד הוא הגידול הממאיר השכיח ביותר בקרב נשים, וגילוי מוקדם וטיפול הם קריטיים לשיפור התוצאות הקליניות. ממוגרפיה של קרני רנטגן נותרה שיטת הבדיקה הסטנדרטית; עם זאת, יש לו מספר מגבלות, כולל חשיפה לקרינה, אי נוחות של המטופל ורגישות מופחתת אצל נשים עם רקמת שד צפופה. הדמיית מיקרוגל, טכניקה לא מייננת, התגלתה כאלטרנטיבה מבטיחה. פיתחנו מכשיר המשחזר את מבני רקמת השד על ידי פתרון בעיית הפיזור ההפוך ונמצא כעת בניסויים קליניים. מערכת זו מייצרת תמונות טומוגרפיות תלת מימדיות ללא שימוש בחומרי ניגוד ומבלי לגרום לכאב במהלך הבדיקה. עד כה נבדקו 24 חולות סרטן השד, ברמת דיוק של 86% לגידולים בקוטר ≥-1 ס"מ, ו-58% בגידולים בקוטר <-1 ס"מ. במאמר זה, אנו מציגים פרוטוקול מפורט להכנת מכשירים, הדמיה קלינית ועיבוד נתונים, יחד עם תוצאות הדמיה מייצגות של מטופלים נבחרים.
סרטן השד הוא הגידול הממאיר השכיח ביותר בקרב נשים, עם כ-95,000 מקרים חדשים המאובחנים מדי שנה ביפן1. גילוי וטיפול מוקדם חיוניים לשיפור תוצאות המטופלים.
ממוגרפיה של רנטגן היא כיום כלי הסינון הסטנדרטי. עם זאת, רגישותו מוגבלת אצל נשים עם רקמת שד צפופה, מה שמקשה על איתור גידול קטן2. כדי להתמודד עם מגבלה זו, אולטרסאונד משמש לעתים קרובות כשיטת אבחון משלימה. בדיקות אולטרסאונד דורשות מיומנות גבוהה של מפעיל, ודיוק האבחון של ממוגרפיה או אולטרסאונד בלבד הוא כ-60%. הדמיית תהודה מגנטית משופרת ניגודיות (MRI) משיגה דיוק העולה על 90%; עם זאת, בשל עלויות הציוד והבדיקה הגבוהות, MRI אינו מתאים לבדיקות סקר שגרתיות ושמור בעיקר לקבלת החלטות כירורגיות ותכנון טיפול3.
לאחרונה, הדמיית מיקרוגל משכה תשומת לב הולכת וגוברת כחלופה פוטנציאלית המסוגלת להתגבר על מגבלות הממוגרפיה והאולטרסאונד4. כאשר קרינת מיקרוגל מקיימת אינטראקציה עם רקמה ביולוגית, השתקפויות חזקות מתרחשות בגבולות דיאלקטריים. רפלקטיביות גבוהה יותר מסדר גודל מזה של קרני רנטגן או אולטרסאונד, ומאפשרת זיהוי נגעים קטנים. המחקר על גילוי סרטן השד באמצעות הדמיית מיקרוגל נמשך כבר למעלה מ-25 שנה, עם מספר מחקרים קליניים שדווחו5.
ניתן לסווג הדמיית מיקרוגל באופן כללי לשתי קטגוריות: הדמיה קונפוקלית, המשחזרת את התפלגות הכוח המפוזר, וטומוגרפיה מפוזרת, המשחזרת את התפלגות היתירות מורכבת (קבוע דיאלקטרי ומוליכות חשמלית)6,7. הדמיה קונפוקלית דומה מבחינה רעיונית לאבחון אולטרסאונד; עם זאת, בשל השתקפויות מרובות בתוך הרקמה, לא ניתן לשחזר במדויק מבנים פנימיים. לעומת זאת, טומוגרפיית פיזור מספקת שחזורים מדויקים גם בנוכחות השתקפויות מרובות אך דורשת מודלים מספריים מדויקים של פיזור אלקטרומגנטי. טכניקות אלקטרומגנטיות חישוביות עכשוויות עדיין מתמודדות עם אתגרים בשכפול מלא של תופעות אלה. לכן, כיול שמיישר את הנתונים הנמדדים עם מודלים מספריים הוא קריטי ליישום מעשי8. יתר על כן, מכיוון שתגובות הנגע הן פחות מ-1/1000 מהשתקפות העור9, אנטנות ומקלטים רגישים במיוחד עם ביצועי אות לרעש מצוינים הם הכרחיים.
המערכת שלנו מתמודדת עם אתגרים אלה על ידי הצגת גישות חדשניות לפתרון בעיית הפיזור ההפוך באמצעות קירוב בורן מעוות איטרטיבי (IDBA)10. פותחו מספר טכנולוגיות מפתח, כולל אנטנת צופר דיאלקטרית כפולה מקוטבת11, שיטת כיול המשתמשת בשני פנטומים הומוגניים12, קיבוע שד לחיישן באמצעות יניקה13, עירור גל רב-קוטבי14 וניצול הקשר הליניארי בין היתירות רקמה למוליכות15. אב טיפוס של מכשיר המשלב טכנולוגיות אלו הושלם בספטמבר 2023, והניסויים הקליניים החלו בנובמבר 2023.
למרות שהדמיית מיקרוגל נחקרה בהרחבה, עדיין אין פרוטוקול קליני מקובל המבטיח רכישת נתונים הניתנים לשחזור, כיול חזק ושחזור תמונה יציב בקרב מטופלים. הקמת פרוטוקול כזה חיונית לתרגום הדמיית מיקרוגל ממחקר ניסיוני ליישום קליני מעשי. הפרוטוקול המוצג במחקר זה, המשלב קיבוע שד מבוסס יניקה, כיול פנטום כפול ועירור גלים רב-קוטבי, מתייחס לדרישות אלו ומספק מסגרת סטנדרטית להערכה קלינית אמינה של טומוגרפיה במיקרוגל.
איור 1A ממחיש את העיקרון של הדמיית מיקרוגל16. אנטנות מרובות מסודרות סביב השד, כאשר אנטנה אחת משדרת בעוד האחרות מקבלות גלים מפוזרים. מנתח רשת וקטורית (VNA) מתפקד גם כמשדר וגם כמקלט. אם רק יציאה אחת זמינה, השידור והקליטה מתחלפים ברצף, ואותות מפוזרים נרכשים עבור כל זוגות האנטנות האפשריים. הנתונים שנאספו משמשים לאחר מכן לשחזור תמונות טומוגרפיות של השד.
תצורת החומרה של אב הטיפוס מסוכמת בטבלה 1 ומוצגת באיור 1B, בעוד שהמראה החיצוני של אב הטיפוס מוצג באיור 2A. המכשיר מורכב ממיכל קרמי לשד, 16 אנטנות המחוברות למיכל, מתג אנטנה לבחירת אנטנות שידור וקליטה, VNA למדידת מאפייני שידור בין זוגות אנטנות, מחשב נייד עם תוכנת מדידה, יחידת בקרה לתיאום מתג המחשב הנייד והאנטנה, ושואב לקיבוע שד מבוסס יניקה (איור 2C).
המיכל הקרמי עם האנטנות המחוברות (המכונה חיישן ההדמיה, איור 2B) ומתג האנטנה שוכנים בתוך הגוף הראשי של המכשיר. למרות שישנן 16 אנטנות פיזיות, 12 מהן מקוטבות כפולות, וכתוצאה מכך ספירת אנטנות אפקטיבית של 28. המכשיר ממוקם ליד המיטה, והמטופלת שוכבת על הבטן, מכניסה את השד שלה לתוך חיישן ההדמיה (איור 1C). כדי למזער את חפצי ההדמיה הנגרמים מתנועת הגוף, השד מקובע לחיישן באמצעות השואב.
במהלך המדידה נבחרת אנטנה משדרת, ומיקרוגלים במהירות 1.9 ג'יגה הרץ עם הספק פלט של -5 dBm מוקרנים לתוך השד. פרמטרי פיזור (פרמטרי S) נמדדים על ידי ה- VNA תוך החלפת אנטנות שידור וקליטה ברצף, והנתונים נרשמים במחשב הנייד. תהליך זה חוזר על עצמו עבור כל שילובי האנטנות. רכישת שד אחד אורכת כ-14 דקות. זמן המדידה הארוך יחסית נובע מתהליך הרכישה הסדרתי ומרווחי המתנה נוספים המיושמים כדי למנוע שגיאות תקשורת. משך המדידה עקבי בין המטופלים.
קבצי המדידה המוקלטים מועברים לתחנת עבודה ייעודית לשחזור תמונה. תוכנית בקרת הליבה מיושמת ב-Excel VBA, המתאמת עיבוד נתונים ומתממשקת עם סימולטור השדה האלקטרומגנטי FEMTET ופלטפורמת הניתוח המספרי MATLAB, כפי שמוצג באיור 317,18. שחזור של תמונת שד בודדת דורש כ-7 שעות בתחנת עבודה המצוידת במעבד Intel Core i7-14700K ו-96 GB של זיכרון RAM. מכיוון שאלגוריתם השחזור מבוסס על IDBA10, יש לבצע שוב ושוב סימולציות אלקטרומגנטיות תלת מימדיות בקנה מידה גדול. כל ניתוח שדה אלקטרומגנטי קדימה דורש כ-10 דקות, ואחזור התפלגות השדה המחושב מ-FEMTET לוקח 30 דקות נוספות. מחזור זה חוזר על עצמו עשר פעמים בכל שחזור, ומניב זמן עיבוד מצטבר של כ-400 דקות.
סביבת התוכנה מסוכמת בטבלה 2. המחשב הנייד מוגדר עם תוכנית בקרת המנתח לניהול התקשורת עם ה- VNA ויחידת הבקרה למתג האנטנה. חיבוריות חומרה דורשת ממשק קלט/יציאה דיגיטלי (DIO) וכבל המרה של אפיק ממשק לשימוש כללי (GPIB)-USB כדי להבטיח העברת פקודות אמינה. כל תוכניות השחזור האחרות מותקנות בתחנת העבודה, שחייבת לתמוך ב-Microsoft Excel, FEMTET ו-MATLAB. FEMTET משמש לפתרון משוואות מקסוול בתחום ההדמיה באמצעות שיטת האלמנטים הסופיים, בעוד ש-MATLAB מבצעת שגרות מספריות הנדרשות להיפוך IDBA.
נדרש הליך כיול קפדני כדי ליישר את נתוני הפיזור הנמדדים עם המודל המספרי קדימה. הכיול מבוצע באמצעות שני פנטומים דיאלקטריים הומוגניים (איור 2D) שנועדו להעריך מדיה מחקה רקמות. ב-1.9 ג'יגה הרץ, פנטום 1 מציג פרמיטיביות יחסית של 6.65 וטנגנס אובדן דיאלקטרי של 0.438, בעוד שלפנטום 2 יש פרמיטיביות יחסית של 4.66 וטנגנס הפסד של 0.289. קובץ כיול, cal_2314_94_ver2.mat, נוצר מראש, המכיל מקדמי תיקון המפצים על פערים שיטתיים בין פרמטרי S שנמדדו למדומים. מקדמים אלה נגזרים מסימולציות מבוססות FEMTET של מאפייני השידור של הפאנטומים ומאומתים מול מדידות ניסיוניות שהתקבלו עם אב הטיפוס12. כיול זה מבטיח עקביות בין מודלים מספריים לנתונים ניסיוניים, ומייצב את ההתכנסות של תהליך השחזור האיטרטיבי.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כל ההליכים הקליניים אושרו על ידי מועצת הביקורת המוסדית של האוניברסיטה הרפואית אייצ'י (מספר הסמכה של מחקר קליני ספציפי: CRB4200004).
1. הגדרת מכשיר
2. קלט פרמטרים ראשוניים
3. כיול מנתח הרשת הווקטורית (VNA)
4. הליך הדמיה
5. שחזור תמונה
בעורך כדי ליצור קובץ .mat עבור כיול ציוד (איור 8B).
כדי ליצור גליון עבודה למטופל לשימוש בתוכנית VBA הראשית של Excel .
בעורך כדי להתחיל בתהליך שחזור התמונה (איור 9B).הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות ההדמיה של שלושה חולים מייצגים מוצגות להלן:
מטופל 1
אישה בת 78 עם סרטן בגודל 34 מ"מ ×-21 מ"מ הממוקם במיקום השעה 2 של השד השמאלי. בלוטות החלב שומניות בעיקר. איור 10A ואיור 10B מציגים תמונות ממוגרפיה של קרני רנטגן, ואילו איור 10C-F מציגים תוצאות הדמיה שהתקבלו עם אב הטיפוס. איור 10C
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
לכיול בהקשר זה יש שתי משמעויות נפרדות. ראשית, הכוונה היא לתיקון נתוני פיזור נמדדים כך שניתן יהיה לשלב את התוצאות במדויק במודלים מספריים. שנית, הכוונה היא לכיול של מנתח הרשת הווקטורית (VNA) עצמו.
לפני כל כיול או מדידה, יש להפעיל את ה-VNA לפחות 15 דקות מראש, ומחוון ה-READY במודול הכיול האלקטרוני חייב להיות ירוק. יש לאמת את כל חיבורי המכשירים. יש להדק היטב את מחברי ה-RF באמצעות מפתח מומנט, ויש לבדוק ולהדק את הברגים בשני הקצוות של מחברי D-Sub אם ה...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים מצהירים שאין להם קשרים מסחריים או פיננסיים עם חברות הקשורות לעבודה זו.
מחקר זה נערך בתמיכת מענק המחקר למדע וטכנולוגיה של יפן, 24K10872. מחקר זה נתמך על ידי מענקים מ-JSPS KAKENHI והסוכנות היפנית למחקר ופיתוח רפואי (AMED). המחברים הגישו בקשות פטנט הקשורות לטכנולוגיה המתוארת במאמר זה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| שאיפה | כאחד | DAS-01 | |
| קלט דיגיטלי | כלים לאומיים | USB6501 | |
| מודול כיול אלקריאוני | אג'ילנט | 85093C | הופסק. החלף ב-85093D. |
| סימולטור אלקטרומגנטי | תוכנת מוראטה | FEMTET | |
| אקסל VBA | מיקרוסופט | משרד | |
| כבל המרה USB GPIB | כלים לאומיים | GPIB-USB-HS | |
| תוכנה נומרית | מת'וורקס | מטלאב | |
| VNA | Keysight | E5071C |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.