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방법 논문

난소 병변의 질식 영상을위한 공동 등록 된 초음파 및 광 음향 영상 프로토콜

2.7K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/64864

⸱

2023년 3월 3일

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

이 논문에서

요약

우리는 난소/부속기 병변의 질식 영상에 대해 공동 등록된 초음파 및 광음향 영상 프로토콜을 보고합니다. 이 프로토콜은 다른 병진 광 음향 영상 연구, 특히 광 음향 신호 검출을위한 상용 초음파 어레이 및 이미징을위한 표준 지연 및 합계 빔 형성 알고리즘을 사용하는 연구에 유용 할 수 있습니다.

초록

난소암은 조기 발견 및 진단을 위한 신뢰할 수 있는 선별 도구가 없기 때문에 모든 부인과 악성 종양 중 가장 치명적인 상태로 남아 있습니다. 광음향 영상 또는 단층 촬영(PAT)은 암 진단에 중요한 매개변수인 난소/부속기 병변의 총 헤모글로빈 농도(상대적 척도, rHbT) 및 혈중 산소 포화도(%sO2)를 제공할 수 있는 새로운 영상 방식입니다. 공동 등록 된 초음파 (미국)와 결합 된 PAT는 난소 암을 감지하고 난소 병변을 정확하게 진단하여 효과적인 위험 평가와 양성 병변의 불필요한 수술을 줄일 수있는 큰 잠재력을 보여주었습니다. 그러나 임상 응용 분야의 PAT 이미징 프로토콜은 우리가 아는 한 연구마다 크게 다릅니다. 여기에서는 다른 임상 연구, 특히 광 음향 신호 감지를위한 상용 초음파 어레이 및 이미징을위한 표준 지연 및 합계 빔 형성 알고리즘을 사용하는 임상 연구에 도움이 될 수있는 질식 난소 암 이미징 프로토콜을보고합니다.

서론

광음향 영상 또는 단층 촬영(PAT)은 조직 광학 확산 한계(~1mm)를 훨씬 초과하는 미국 해상도 및 깊이에서 광학 흡수 분포를 측정하는 하이브리드 영상 방식입니다. PAT에서 나노초 레이저 펄스는 생물학적 조직을 여기시키는 데 사용되어 광학 흡수로 인해 일시적인 온도 상승을 유발합니다. 이로 인해 초기 압력 상승이 발생하고 결과적인 광 음파는 US 변환기로 측정됩니다. 다중 스펙트럼 PAT는 조직을 조명하기 위해 조정 가능한 레이저 또는 서로 다른 파장에서 작동하는 다중 레이저를 사용하여 여러 파장에서 광학 흡수 맵을 재구성할 수 있습니다. 근적외선(NIR) 창에서 산소화 및 탈산소화 헤모글로빈의 차등 흡수를 기반으로 다중 스펙트럼 PAT는 종양 혈관 신생 및 혈액 산소화 소비 또는 종양 대사와 관련된 모든 기능적 바이오마커인 산소화 및 탈산소화 헤모글로빈 농도, 총 헤모글로빈 농도 및 혈중 산소 포화도의 분포를 계산할 수 있습니다. PAT는 난소암1,2, 유방암 3,4,5, 피부암6, 갑상선암 7,8, 자궁경부암9, 전립선암 10,11 및 대장 암 12와 같은 많은 종양학 응용 분야에서 성공을 입증했습니다.

난소 암은 모든 부인과 악성 종양 중에서 가장 치명적입니다. 난소 암의 38 %만이 초기 (국소 또는 지역) 단계에서 진단되며, 5 년 생존율은 74.2 %에서 93.1 %입니다. 대부분은 5 년 생존율이 30.8 % 이하인 말기 단계에서 진단됩니다13. 질식 초음파 (TUS), 도플러 미, 혈청 암 항원 125 (CA 125) 및 인간 부고환 단백질 4 (HE4)를 포함한 현재의 임상 진단 방법은 조기 난소 암 진단14,15,16에 대한 민감도와 특이성이 부족한 것으로 나타났습니다. 또한 양성 난소 병변의 상당 부분은 현재의 영상 기술로 정확하게 진단하기 어려울 수 있으며, 이는 의료 비용 증가와 수술 합병증으로 불필요한 수술로 이어질 수 있습니다. 따라서, 관리 및 결과를 최적화하기 위해 부속기 종괴의 위험 계층화를위한 추가적인 정확한 비 침습적 방법이 필요합니다. 분명히, 초기 난소 암에 민감하고 특이적이며 양성 병변에서 악성을 식별하는 데보다 정확한 기술이 필요합니다.

우리 그룹은 임상 US 시스템, 광 전달을 위한 광섬유를 수용하는 맞춤형 프로브 외피 및 조정 가능한 레이저1을 결합하여 난소암 진단을 위해 공동 등록된 질식 미국 및 PAT 시스템(USPAT)을 개발했습니다. USPAT 시스템에서 파생된 총 헤모글로빈 농도(상대적 척도, rHbT)와 혈중 산소 포화도(%sO2)는 초기 난소암을 발견하고 난소 병변을 정확하게 진단하여 효과적인 위험 평가 및 불필요한 양성 병변 수술의 감소에 대한 큰 잠재력을 입증했습니다1,2. 현재 시스템 회로도는 그림 1에 나와 있으며 제어 블록 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다. 이 전략은 난소암 진단을 위한 기존 TUS 프로토콜에 통합되는 동시에 기능적 매개변수(rHbT, %sO2)를 제공하여 TUS의 민감도와 특이성을 개선할 수 있습니다.

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프로토콜

수행 된 모든 연구는 워싱턴 대학교 기관 검토위원회의 승인을 받았습니다.

1. 시스템 구성: 광학 조명(그림 1)

  1. 10Hz에서 펄스가 있고 조정 가능한 (690-890 nm) Ti- 사파이어 레이저를 펌핑하는 Nd : YAG 레이저를 사용하십시오.
  2. 먼저 평면 오목 렌즈로 빔을 발산한 다음 평면 볼록 렌즈로 빔을 시준하여 레이저 빔을 확장합니다. 두 개의 미러를 사용하여 빔을 빔 스플리터로 향하게합니다 (아래 설명 ).
  3. 편광 빔 스플리터로 원래 빔을 2 개로 분할 한 다음 2 단계 빔 스플리터로 2 개의 빔을 분할하여 확장 된 레이저 빔을 동일한 에너지로 4 개의 빔으로 분할합니다.
  4. 광섬유 척으로 4개의 다중 모드 광섬유를 장착합니다.
  5. 4 개의 평면 볼록 렌즈를 사용하여 4 개의 레이저 빔을 4 개의 섬유에 집중시킵니다.
  6. 레이저 안전 고려 사항으로 인해 광학 경로가 노출되지 않도록 금속 상자 아래의 모든 광학 구성 요소를 덮으십시오.
  7. 4 개의 섬유의 다른 쪽 끝을 질식 초음파 프로브에 부착하고 프로브와 섬유를 보호 덮개로 둘러 쌉니다.
    알림: 변환기의 외피와 음향 창은 조명 균일성을 향상시키기 위해 반사율이 높은 흰색 페인트로 코팅되어 있습니다. 광 전달을 위한 4개의 섬유의 사용을 포함하는 이러한 설정은 이전에 질식 적용에 최적인 것으로 나타났다17. 자세한 내용은 토론을 참조하십시오.

2. 시스템 구성 : 초음파 감지 및 스캐닝 방식

  1. 프로그래밍 가능한 미국 임상 시스템을 사용합니다.
    알림: 프로그래밍 가능한 시스템은 원시 초음파 데이터에 액세스할 수 있고 맞춤형 데이터 수집 프로토콜 및 처리 알고리즘을 프로그래밍할 수 있음을 의미합니다.
  2. 추가 모니터를 미국 시스템에 연결하여 rHbT, %sO2 맵 및 기타 기능 매개 변수의 실시간 시각화를 위해 USPAT 디스플레이 소프트웨어를 실행합니다.
  3. 레이저의 내부 트리거를 미국 시스템의 외부 트리거에 연결합니다.
  4. 공동 등록 모드에서 시분할 멀티플렉싱 접근 방식을 사용합니다. 구체적으로, 각 파장에 대해, 5개의 연속적인 PAT 프레임과 1개의 공동 등록된 US 프레임을 순차적으로 획득한다. PAT 프레임을 평균화하여 신호 대 잡음비를 개선합니다. 4개의 파장에 대한 총 데이터 수집 시간은 약 15초입니다.

3. 시스템 교정

  1. 레이저 펌프 에너지를 고정 수준으로 설정하십시오.
  2. 각 파장(750nm, 780nm, 800nm 및 830nm)에 대해 각 섬유 팁에서 출력되는 펄스당 에너지 밀도를 확인하여 선택한 각 파장에서 계산된 에너지 밀도가 표 1에 제공된 예상 값인지 확인합니다.
  3. 에너지 출력이 예상보다 낮으면 미러 및 빔 스플리터 각도를 조정하여 광학 정렬을 미세 조정합니다. 이 단계가 항상 필요한 것은 아닙니다.
  4. 에너지가 만족스러울 때까지 3.2-3.4단계를 반복합니다.
  5. 각 파장에서 4개의 광섬유 에너지 출력을 기록하고 USPAT 디스플레이 소프트웨어에 값을 입력합니다.
    알림: 이 값은 rHbT의 계산을 보정하는 데 사용됩니다. 레이저 에너지는 시간이 지남에 따라 변동하며, 보정은 다중 스펙트럼 PAT 데이터에서 계산된 정량적 파라미터가 가능한 한 정확한지 확인합니다.

4. 샘플 실험 절차: 인간 난소의 질식 USPAT 영상화

  1. USPAT 이미징 시스템 준비
    1. 기관의 표준 초음파 프로브 세척 프로토콜로 내강 미국 프로브와 덮개 덮개를 소독합니다.
    2. 임상 미국 시스템을 켜고 미국 시스템 소프트웨어를 시작한 다음 올바른 미국 변환기를 선택합니다.
    3. 3단계와 같이 레이저 시스템을 교정합니다.
    4. 각 파장에 대한 총 펄스 에너지를 USPAT 디스플레이 소프트웨어에 입력합니다.
    5. 프로브 피복 내부에 섬유와 프로브를 둘러싸서 USPAT 프로브를 조립합니다.
  2. 환자의 준비
    1. 기관별 프로토콜을 따라 정보에 입각한 동의를 얻고 환자를 준비시킵니다.
  3. 이미징
    1. 펄스 에코 US를 사용하여 표적 난소를 찾습니다.
      알림: 이 단계는 깊이, 동적 범위 및 TGC와 같은 임상 미국 기계의 이미징 매개변수를 자유롭게 조정할 수 있는 연구 의사가 수행합니다.
    2. USPAT 제어 소프트웨어에서 원하는 깊이를 선택합니다.
    3. 제어 소프트웨어에서 스캔 을 클릭하여 공동 등록된 USPAT B-모드 데이터 수집을 시작합니다. USPAT 이미지 디스플레이 소프트웨어를 시청하여 공동 등록된 미국 및 PAT B 모드 이미지와 재구성된 기능 맵을 실시간으로 검토하십시오.
    4. 4.3.1-4.3.3단계를 반복하여 더 많은 이미지를 획득하고 (필요한 경우) 두 번째 병변을 이미지화합니다.

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결과

여기에서는 USPAT에서 촬영한 악성 및 정상 난소 병변의 예를 보여줍니다. 그림 3 은 조영제 강화 CT에 의해 밝혀진 양측 다낭성 부속기 종괴를 가진 50세 폐경 전 여성을 보여줍니다. 그림 3A 는 낭성 병변 내부의 의심스러운 고형 결절을 표시하는 ROI가 있는 왼쪽 부속기의 미국 이미지를 보여줍니다. 도 3B 는 미국에 중첩되고 적색으로 도시된 PAT rHbT 지도를 도시한다. rHbT는 1cm에서 5cm의 깊이 범위에서 광범위한 확산 혈관 분포를 보였고 수준은 17.1 (a.u.)로 높았습니다. 그림 3C 는 미국에 중첩된 %sO2 분포를 보여주며, 그 수준은 46.4%의 평균값으로 낮았다. ROI에서 rHbT 및 %sO2의 히스토그램은 rHbT 및 %sO2 맵의 오른쪽 모서리에 표시됩니다. 외과 병리학은 오...

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토론

광학 조명
사용되는 섬유의 수는 조명 균일 성과 시스템 복잡성의 두 가지 요소를 기반으로합니다. 핫스팟을 피하기 위해 피부 표면에 균일한 조명 패턴을 갖는 것이 중요합니다. 최소한의 섬유로 시스템을 단순하고 견고하게 유지하는 것도 중요합니다. 4 개의 개별 섬유를 사용하는 것은 이전에 수 밀리미터 이상의 깊이에서 균일 한 조명을 만드는 데 최적 인 것으로 나타났습니다. 또한 4개의 광섬유에 대한 광 결합은 환자 연구에 필요한 만큼 비교적 간단하고 견고합니다. 우리는 이전에 반사율이 높은 프로브 외피에 수용된 조직으로부터 약 10mm 떨어진 광섬유 팁을 갖는 4개의 1mm 코어 다중 모드 광섬유의 사용(설계에 대한 보충 파일 1 참조)이 질식 광음향 영상(17)에 최적임을 보여주었습니다.

USPAT 디스플레이 소프트웨어
우리가 사용하는 임...

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공개 사항

저자는 원고에 대한 관련 재정적 이해관계가 없으며 공개할 다른 잠재적인 이해 상충이 없습니다.

감사의 글

이 작업은 NCI (R01CA151570, R01CA237664)의 지원을 받았습니다. 저자는 환자 모집을 도와준 Mathew Powell 박사가 이끄는 전체 GYN 종양학 그룹, 미국 연구를 도와준 방사선 전문의 Cary Siegel, William Middleton 및 Malak Itnai 박사, 데이터의 병리학적 해석을 도와준 병리학자 Ian Hagemann 박사에게 감사드립니다. 저자는 메간 루터와 GYN 연구 코디네이터가 연구 일정을 조정하고, 연구를 위해 환자를 식별하고, 정보에 입각 한 동의를 얻는 노력에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
임상 미국 이미징 시스템Alpinion Medical SystemsEC-12R완전히 프로그래밍 가능한 임상 미국 시스템
유전체 미러ThorlabsBB1-E03광학 경로를 따라 빛을 반사하는 데 사용
Endocavity US 변환기Alpinion Medical SystemsEC3-10Transvaginal 초음파 프로브
레이저 파워 미터CoherentLabMax TOP사용 레이저 에너지를 측정하기 위해
다중 모드 광섬유ThorlabsFP1000ERT레이저 광을 엔도캐비티 초음파 프로브에 결합합니다
. 비편광 빔 스플리터 플레이트ThorlabsBSW11레이저 빔을 센서로 분할하여 에너지를 측정하기 위해
플라노-오목 렌즈ThorlabsLC1715레이저 빔 확장을 위한
플라노-볼록 렌즈 ThorlabsLA1484-B레이저 빔 시준용
Plano-convex lens ThorlabsLA1433-B4 개의 광섬유로 빛을 집중시키는 데 사용
편광 빔 스플리터 큐브ThorlabsPBS252레이저 빔을 4 개의 빔으로 분할 보호
프로브 건강맞춤형 3D 인쇄초음파 프로브 끝에 있는 4개의 광섬유를 잡고 보호
직각 프리즘 미러ThorlabsMRA25-E03광학 경로를 따라 빛을 반사하는 데 사용
조정 가능한 레이저 시스템Symphotic TIILS-2145-LT50PC멀티 스펙트럼 PAT
USPAT 제어 소프트웨어C++초음파 기계 및 레이저 파장의 수집 매개변수 제어
USPAT 이미지 디스플레이 소프트웨어C++USPAT B-스캔 및 sO2/rHbT 맵을 실제로 표시합니다. 시간
용 광원 로 맞춤 개발 로 맞춤 개발

참고문헌

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