Riportiamo un protocollo di ecografia e imaging fotoacustico coregistrato per l'imaging transvaginale delle lesioni ovariche/annessiali. Il protocollo può essere prezioso per altri studi di imaging fotoacustico traslazionale, in particolare quelli che utilizzano array di ultrasuoni commerciali per il rilevamento di segnali fotoacustici e algoritmi standard di beamforming a distanza e somma per l'imaging.
È richiesta un abbonamento a JoVE per visualizzare questo contenuto. Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Articolo metodologico
Un protocollo di ecografia e imaging fotoacustico coregistrato per l'imaging transvaginale delle lesioni ovariche
In questo articolo
Sommario
Abstract
Il cancro ovarico rimane il più mortale di tutti i tumori maligni ginecologici a causa della mancanza di strumenti di screening affidabili per la diagnosi precoce. L'imaging fotoacustico o la tomografia (PAT) è una modalità di imaging emergente che può fornire la concentrazione totale di emoglobina (scala relativa, rHbT) e la saturazione di ossigeno nel sangue (%sO2) delle lesioni ovariche/annessiali, che sono parametri importanti per la diagnosi del cancro. In combinazione con l'ecografia coregistrata (US), PAT ha dimostrato un grande potenziale per rilevare i tumori ovarici e per diagnosticare accuratamente le lesioni ovariche per un'efficace valutazione del rischio e la riduzione di interventi chirurgici non necessari di lesioni benigne. Tuttavia, i protocolli di imaging PAT nelle applicazioni cliniche, per quanto ne sappiamo, variano ampiamente tra i diversi studi. Qui, riportiamo un protocollo di imaging del cancro ovarico transvaginale che può essere utile per altri studi clinici, in particolare quelli che utilizzano array di ultrasuoni commerciali per il rilevamento di segnali fotoacustici e algoritmi standard di beamforming a ritardo e somma per l'imaging.
Introduzione
L'imaging fotoacustico o tomografia (PAT) è una modalità di imaging ibrida che misura la distribuzione dell'assorbimento ottico a risoluzione e profondità statunitensi ben oltre il limite di diffusione ottica tissutale (~ 1 mm). In PAT, un impulso laser di nanosecondi viene utilizzato per eccitare il tessuto biologico, causando un aumento transitorio della temperatura dovuto all'assorbimento ottico. Ciò porta ad un aumento iniziale della pressione e le onde fotoacustiche risultanti vengono misurate dai trasduttori statunitensi. La PAT multispettrale prevede l'uso di un laser sintonizzabile o di laser multipli che operano a diverse lunghezze d'onda per illuminare il tessuto, consentendo così la ricostruzione di mappe di assorbimento ottico a più lunghezze d'onda. Sulla base dell'assorbimento differenziale dell'emoglobina ossigenata e deossigenata nella finestra del vicino infrarosso (NIR), la PAT multispettrale può calcolare le distribuzioni delle concentrazioni di emoglobina ossigenata e deossigenata, la concentrazione totale di emoglobina e la saturazione di ossigeno nel sangue, che sono tutti biomarcatori funzionali correlati all'angiogenesi tumorale e al consumo di ossigenazione del sangue o al metabolismo tumorale. PAT ha dimostrato il successo in molte applicazioni oncologiche, come il cancro ovarico1,2, il cancro al seno 3,4,5, il cancro della pelle6, il cancro della tiroide 7,8, il cancro cervicale 9, il cancro alla prostata 10,11 e il cancro del colon-retto 12.
Il cancro ovarico è il più mortale di tutti i tumori maligni ginecologici. Solo il 38% dei tumori ovarici viene diagnosticato in una fase precoce (localizzata o regionale), dove il tasso di sopravvivenza a 5 anni è compreso tra il 74,2% e il 93,1%. La maggior parte viene diagnosticata in una fase avanzata, per la quale il tasso di sopravvivenza a 5 anni è del 30,8% o meno13. Gli attuali metodi di diagnosi clinica, tra cui l'ecografia transvaginale (TUS), Doppler US, l'antigene del cancro sierico 125 (CA 125) e la proteina 4 dell'epididimo umano (HE4), hanno dimostrato di mancare di sensibilità e specificità per la diagnosi precoce del cancro ovarico14,15,16. Inoltre, una grande porzione di lesioni ovariche benigne può essere difficile da diagnosticare con precisione con le attuali tecnologie di imaging, il che porta a interventi chirurgici non necessari con aumento dei costi sanitari e complicanze chirurgiche. Pertanto, sono necessari ulteriori metodi accurati e non invasivi per la stratificazione del rischio delle masse annessiali per ottimizzare la gestione e i risultati. Chiaramente, è necessaria una tecnica sensibile e specifica per il carcinoma ovarico in fase iniziale e più accurata nell'identificare le lesioni maligne da quelle benigne.
Il nostro gruppo ha sviluppato un sistema transvaginale US e PAT (USPAT) coregistrato per la diagnosi del cancro ovarico combinando un sistema clinico statunitense, una guaina sonda su misura per alloggiare le fibre ottiche per l'erogazione della luce e un laser sintonizzabile1. La concentrazione totale di emoglobina (scala relativa, rHbT) e la saturazione di ossigeno nel sangue (%sO2) derivata dal sistema USPAT hanno dimostrato un grande potenziale per l'individuazione di tumori ovarici in stadio iniziale e per la diagnosi accurata delle lesioni ovariche per un'efficace valutazione del rischio e la riduzione di interventi chirurgici non necessari sulle lesioni benigne 1,2. Lo schema di sistema corrente è illustrato nella Figura 1 e il diagramma dei blocchi di controllo è mostrato nella Figura 2. Questa strategia ha il potenziale per essere integrata nei protocolli TUS esistenti per la diagnosi del cancro ovarico, fornendo al contempo parametri funzionali (rHbT, %sO2) per migliorare la sensibilità e la specificità della TUS.
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Protocollo
Tutte le ricerche eseguite sono state approvate dal Washington University Institutional Review Board.
1. Configurazione del sistema: illuminazione ottica (Figura 1)
- Utilizzare un laser Nd:YAG pompando un laser T-zaffiro pulsato sintonizzabile (690-890 nm) a 10 Hz.
- Espandere il raggio laser prima divergendo il raggio con una lente plano-concava e poi collimando il fascio con una lente plano-convessa. Utilizzare due specchi per dirigere il raggio su un beam splitter (descritto di seguito).
- Dividere il raggio laser espanso in quattro fasci con uguale energia dividendo il raggio originale in due con uno splitter di fascio polarizzatore e quindi dividendo i due raggi con altri due beam splitter di secondo stadio.
- Montare quattro fibre ottiche multimodali con mandrini in fibra.
- Utilizzare quattro lenti plano-convesse per focalizzare i quattro raggi laser nelle quattro fibre.
- A causa di considerazioni di sicurezza laser, coprire tutti i componenti ottici sotto una scatola metallica per garantire che il percorso ottico non sia esposto.
- Attaccare le altre estremità delle quattro fibre alla sonda ecografica transvaginale e racchiudere la sonda e le fibre in una guaina protettiva.
NOTA: La guaina e la finestra acustica del trasduttore sono rivestite con vernice bianca altamente riflettente per migliorare l'uniformità dell'illuminazione. Questa configurazione, che include l'uso di quattro fibre per la consegna della luce, ha precedentemente dimostrato di essere ottimale per le applicazioni transvaginali17. Per ulteriori informazioni, vedere la discussione.
2. Configurazione del sistema: schema di rilevamento e scansione ad ultrasuoni
- Utilizzare un sistema clinico US programmabile.
NOTA: Un sistema programmabile significa che i dati ecografici grezzi sono accessibili e possono essere programmati protocolli di acquisizione dati personalizzati e algoritmi di elaborazione. - Collegare un monitor aggiuntivo al sistema statunitense per eseguire il software di visualizzazione USPAT per la visualizzazione in tempo reale delle mappe rHbT, %sO2 e altri parametri funzionali.
- Collegare il trigger interno del laser al trigger esterno del sistema statunitense.
- Utilizzare un approccio di multiplexing a divisione di tempo durante la modalità coregistrata; in particolare, per ogni lunghezza d'onda, acquisire sequenzialmente cinque fotogrammi PAT consecutivi e un fotogramma USA coregistrato. Calcola la media dei fotogrammi PAT per migliorare il rapporto segnale-rumore. Il tempo totale di acquisizione dei dati per quattro lunghezze d'onda è di circa 15 s.
3. Calibrazione del sistema
- Impostare l'energia della pompa laser su un livello fisso.
- Per ciascuna lunghezza d'onda (750 nm, 780 nm, 800 nm e 830 nm), controllare l'energia in uscita per impulso su ciascuna punta della fibra per assicurarsi che la densità di energia calcolata a ciascuna lunghezza d'onda selezionata sia al valore atteso indicato nella Tabella 1.
- Se la produzione di energia è inferiore al previsto, regolare con precisione l'allineamento ottico regolando gli angoli dello specchio e del beam splitter. Questo passaggio non è sempre necessario.
- Ripetere i passaggi 3.2-3.4 fino a quando l'energia è soddisfacente.
- Registrare l'energia prodotta dalle quattro fibre a ciascuna lunghezza d'onda e immettere i valori nel software di visualizzazione USPAT.
NOTA: questi valori vengono utilizzati per calibrare il calcolo di rHbT. L'energia del laser fluttua nel tempo e la calibrazione assicura che i parametri quantitativi calcolati dai dati PAT multispettrali siano il più accurati possibile.
4. Una procedura sperimentale di esempio: imaging USPAT transvaginale dell'ovaio umano
- Preparazione del sistema di imaging USPAT
- Disinfettare la sonda US endocavità e la guaina di copertura con il protocollo standard di pulizia della sonda ad ultrasuoni presso l'istituto.
- Accendere il sistema clinico US, avviare il software di sistema US e selezionare il trasduttore US corretto.
- Calibrare il sistema laser come al punto 3.
- Immettere l'energia totale dell'impulso per ogni lunghezza d'onda nel software di visualizzazione USPAT.
- Assemblare la sonda USPAT racchiudendo le fibre e la sonda all'interno della guaina della sonda.
- Preparazione del paziente
- Seguire il protocollo specifico dell'istituto per ottenere il consenso informato e preparare il paziente.
- Imaging
- Individuare l'ovaio bersaglio utilizzando pulse-echo US.
NOTA: Questo passaggio viene eseguito dal medico dello studio, che è libero di regolare i parametri di imaging sulla macchina clinica US, come la profondità, la gamma dinamica e il TGC. - Selezionare la profondità desiderata nel software di controllo USPAT.
- Fare clic su Scansione nel software di controllo per avviare l'acquisizione dati USPAT B-mode coregistrata. Guarda il software di visualizzazione delle immagini USPAT per rivedere le immagini in modalità B statunitensi e PAT coregistrate e le mappe funzionali ricostruite in tempo reale.
- Ripetere i passaggi 4.3.1-4.3.3 per acquisire più immagini e (se necessario) visualizzare la seconda lesione.
- Individuare l'ovaio bersaglio utilizzando pulse-echo US.
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Risultati
Qui, mostriamo esempi di lesioni ovariche maligne e normali ripresi da USPAT. La Figura 3 mostra una donna in premenopausa di 50 anni con masse annessali multicistiche bilaterali rivelate da TC con mezzo di contrasto. La Figura 3A mostra l'immagine statunitense degli annessi sinistri con il ROI che segna il nodulo solido sospetto all'interno della lesione cistica. La Figura 3B mostra la mappa PAT rHbT sovrapposta agli Stati Uniti e ...
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Discussione
Illuminazione ottica
Il numero di fibre utilizzate si basa su due fattori: uniformità dell'illuminazione della luce e complessità del sistema. È fondamentale avere un modello di illuminazione uniforme della luce sulla superficie della pelle per evitare punti caldi. È anche importante mantenere il sistema semplice e robusto con un numero minimo di fibre. L'uso di quattro fibre separate ha precedentemente dimostrato di essere ottimale per creare un'illuminazione uniforme a profondità di diversi millimet...
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Dichiarazioni
Gli autori non hanno interessi finanziari rilevanti nel manoscritto e nessun altro potenziale conflitto di interessi da rivelare.
Ringraziamenti
Questo lavoro è stato sostenuto dal NSC (R01CA151570, R01CA237664). Gli autori ringraziano l'intero gruppo di oncologia GYN guidato dal Dr. Mathew Powell per aver aiutato a reclutare pazienti, i radiologi Drs. Cary Siegel, William Middleton e Malak Itnai per aver aiutato con gli studi statunitensi e il patologo Dr. Ian Hagemann per aiutare con l'interpretazione patologica dei dati. Gli autori riconoscono con gratitudine gli sforzi di Megan Luther e dei coordinatori dello studio GYN nel coordinare i programmi di studio, identificare i pazienti per lo studio e ottenere il consenso informato.
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Sistema di imaging ecografico clinico | Alpinion Medical Systems | EC-12R | Sistema ecografico clinico completamente programmabile |
| Specchio dielettrico | Thorlabs | BB1-E03 | Utilizzato per riflettere la luce lungo il percorso ottico |
| Trasduttore ecografico endocavitario | Alpinion Medical Systems | EC3-10 | Sonda ecografica transvaginale |
| Misuratore di potenza laser | Coerente | LabMax TOP | Usato per misurare l'energia laser |
| Fibra ottica multimodale | Thorlabs | FP1000ERT | Accoppiare la luce laser alla sonda ecografica endocavitaria |
| Piastra divisore di fascio non polarizzante | Thorlabs | BSW11 | Per dividere il raggio laser in sensori per misurare l'energia |
| Lente piano-concava | Thorlabs | LC1715 | Per l'espansione del raggio laser |
| Lente piano-convessa | Thorlabs | LA1484-B | Per la collimazione del raggio laser |
| Lente piano-convessa | Thorlabs | LA1433-B | Utilizzato per focalizzare la luce in quattro fibre ottiche |
| Cubo divisore di fascio polarizzatore | Thorlabs | PBS252 | Per dividere il raggio laser in quattro raggi |
| Sonda protettiva shealth Stampato | in 3D personalizzato | Tenere e proteggere le quattro fibre ottiche sulla punta della sonda a ultrasuoni | |
| Specchio prismatico ad angolo retto | Thorlabs | MRA25-E03 | Utilizzato per riflettere la luce lungo il percorso ottico |
| Sistema laser sintonizzabile | Symphotic TII | LS-2145-LT50PC | Sorgente luminosa per PAT multispettrale |
| Software di controllo USPAT | sviluppato su misura in C++ | Controlla i parametri di acquisizione della macchina a ultrasuoni e della lunghezza d'onda del laser | |
| Software di visualizzazione delle immagini USPAT | Sviluppato su misura in C++ | Visualizza le scansioni B US/PAT e le mappe sO2/rHbT in tempo reale Ore |
Riferimenti
- 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).
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Ristampe e permessi
