이 프로토콜은 유방 이미징을 위한 마이크로파 이미징 장치의 이미징 절차를 설명합니다.
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이 논문에서
요약
초록
유방암은 여성에게 가장 흔한 악성 종양으로, 임상 결과를 개선하려면 조기 발견과 치료가 중요합니다. X선 유방조영술은 여전히 표준 선별 양식으로 남아 있습니다. 그러나 방사선 노출, 환자의 불편함, 치밀한 유방 조직을 가진 여성의 민감도 감소 등 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 비이온화 기술인 마이크로파 이미징이 유망한 대안으로 떠올랐습니다. 역산란 문제를 해결하여 유방 조직 구조를 재구성하는 장치를 개발하여 현재 임상 시험을 진행 중입니다. 이 시스템은 조영제를 사용하지 않고 검사 중 통증을 유발하지 않고 3차원 단층 촬영 이미지를 생성합니다. 현재까지 24명의 유방암 환자가 영상화되었으며, 직경 1cm ≥종양의 경우 86%, < 1cm의 종양을 포함할 경우 58%의 정확도를 보였습니다. 이 기사에서는 선택된 환자의 대표적인 이미징 결과와 함께 장치 준비, 임상 이미징 및 데이터 처리를 위한 자세한 프로토콜을 제시합니다.
서론
유방암은 여성에게 가장 흔한 악성 종양으로, 일본에서는 매년 약 95,000건의 새로운 사례가 진단됩니다1. 조기 발견과 치료는 환자 결과를 개선하는 데 필수적입니다.
X선 유방조영술은 현재 표준 선별 도구입니다. 그러나 조밀한 유방 조직을 가진 여성에서는 민감도가 제한되어 작은 종양 발견이 어렵습니다2. 이러한 한계를 해결하기 위해 초음파는 종종 보조 진단 방법으로 사용됩니다. 초음파 검사는 높은 수준의 시술 기술이 요구되며, 유방조영술이나 초음파만으로 진단 정확도는 약 60%입니다. 조영 증강 자기공명영상(MRI)은 90%를 초과하는 정확도를 달성합니다. 그럼에도 불구하고 MRI는 높은 장비와 검사 비용으로 인해 일상적인 검진에 적합하지 않으며 주로 외과적 의사 결정 및 치료 계획에 사용됩니다3.
최근 마이크로파 영상은 유방조영술과 초음파의 한계를 극복할 수 있는 잠재적인 대안으로 주목을 받고 있다4. 마이크로파 방사선이 생물학적 조직과 상호 작용할 때 유전체 경계에서 강한 반사가 발생합니다. 반사율은 X선이나 초음파보다 한 배 이상 높아 작은 병변을 감지할 수 있습니다. 마이크로파 이미징을 사용한 유방암 발견에 대한 연구는 25년 이상 진행되어 왔으며 여러 임상 연구가 보고되었습니다5.
마이크로파 이미징은 크게 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다: 산란된 전력의 분포를 재구성하는 공초점 이미징과 복잡한 유전율(유전 상수 및 전기 전도도)의 분포를 재구성하는 산란 단층 촬영6,7. 공초점 영상은 개념적으로 초음파 진단과 유사합니다. 그러나 조직 내의 다중 반사로 인해 내부 구조를 정확하게 재구성할 수 없습니다. 대조적으로, 산란 단층 촬영은 다중 반사가 있는 경우에도 정확한 재구성을 제공하지만 전자기 산란의 정확한 수치 모델링이 필요합니다. 현재의 전산 전자기 기술은 이러한 현상을 완전히 복제하는 데 여전히 어려움을 겪고 있습니다. 따라서 측정된 데이터를 수치 모델과 일치시키는 교정은 실제 구현에 매우 중요합니다8. 또한 병변 반응은 피부 반사의 1/1000 미만이므로9, 신호 대 잡음 성능이 우수한 고감도 안테나와 수신기가 필수적이다.
우리 시스템은 반복적인 왜곡된 Born 근사치(IDBA)10을 사용하여 역산란 문제를 해결하기 위한 혁신적인 접근 방식을 도입하여 이러한 문제를 해결합니다. 이중 편파 유전체 부하 혼 안테나(11), 두 개의 균질한 팬텀(12)을 사용하는 교정 방법, 흡입(13)을 통한 센서에 대한 유방 고정, 다편파 여기(14), 조직 유전율과 전도도 사이의 선형 관계 활용(15). 이러한 기술을 통합한 프로토타입 장치는 2023년 9월에 완성되었으며, 2023년 11월에는 임상 시험이 시작되었습니다.
마이크로파 이미징이 광범위하게 조사되었지만 환자 전반에 걸쳐 재현 가능한 데이터 수집, 강력한 보정 및 안정적인 이미지 재구성을 보장하는 널리 받아들여지는 임상 프로토콜은 아직 없습니다. 이러한 프로토콜을 확립하는 것은 마이크로파 이미징을 실험 연구에서 실제 임상 적용으로 전환하는 데 필수적입니다. 흡입 기반 유방 고정, 이중 팬텀 보정 및 다편파 여기를 통합한 이 연구에서 제시된 프로토콜은 이러한 요구 사항을 해결하고 마이크로파 단층 촬영의 신뢰할 수 있는 임상 평가를 위한 표준화된 프레임워크를 제공합니다.
그림 1A 는 마이크로파 이미징의 원리를 보여줍니다 16. 유방 주위에 여러 개의 안테나가 배열되어 있으며, 하나의 안테나는 송신하고 다른 안테나는 산란파를 수신합니다. 벡터 네트워크 분석기(VNA)는 송신기와 수신기 역할을 모두 수행합니다. 단일 포트만 사용할 수 있는 경우 전송과 수신이 순차적으로 번갈아 가며 가능한 모든 안테나 쌍에 대해 산란된 신호가 수집됩니다. 수집된 데이터는 유방의 단층 촬영 이미지를 재구성하는 데 사용됩니다.
프로토타입의 하드웨어 구성은 표 1 에 요약되어 있으며 그림 1B에 나와 있으며 프로토타입의 외관은 그림 2A에 나와 있습니다. 이 장치는 유방용 세라믹 용기, 용기에 부착된 16개의 안테나, 송수신 안테나 선택을 위한 안테나 스위치, 안테나 쌍 간의 전송 특성을 측정하기 위한 VNA, 측정 소프트웨어가 있는 노트북 컴퓨터, 노트북 및 안테나 스위치를 조정하기 위한 제어 장치, 흡입 기반 유방 고정을 위한 흡인기로 구성됩니다(그림 2C).
안테나가 부착된 세라믹 용기(이미징 센서, 그림 2B라고 함)와 안테나 스위치는 장치 본체 내에 들어 있습니다. 16개의 물리적 안테나가 있지만 그 중 12개는 이중 편파되어 유효 안테나 수는 28개입니다. 장치는 침대 옆에 위치하고 환자는 엎드려 누워 유방을 이미징 센서에 넣습니다(그림 1C). 신체 움직임으로 인한 이미징 아티팩트를 최소화하기 위해 흡인기를 사용하여 유방을 센서에 흡입 고정합니다.
측정 중에 송신 안테나를 선택하고 -5dBm의 출력 전력을 가진 1.9GHz의 마이크로파를 유방에 조사합니다. 산란 매개변수(S-매개변수)는 송수신 안테나를 순차적으로 전환하면서 VNA에 의해 측정되며 데이터는 노트북에 기록됩니다. 이 프로세스는 모든 안테나 조합에 대해 반복됩니다. 한쪽 유방을 확보하는 데는 약 14분이 소요됩니다. 상대적으로 긴 측정 시간은 직렬 수집 프로세스와 통신 오류를 방지하기 위해 구현된 추가 대기 간격 때문입니다. 측정 기간은 환자마다 일관됩니다.
기록된 측정 파일은 이미지 재구성을 위해 전용 워크스테이션으로 전송됩니다. 핵심 제어 프로그램은 그림 317,18과 같이 데이터 처리를 조정하고 전자기장 시뮬레이터 FEMTET 및 수치 분석 플랫폼 MATLAB과 인터페이스하는 Excel VBA로 구현됩니다. 단일 유방 이미지를 재구성하려면 Intel Core i7-14700K CPU 및 96GB RAM이 장착된 워크스테이션에서 약 7시간이 필요합니다. 재구성 알고리즘은 IDBA10을 기반으로 하기 때문에 대규모 3차원 전파 전자기 시뮬레이션을 반복적으로 실행해야 합니다. 각 순방향 전자기장 분석에는 약 10분이 소요되며 FEMTET에서 계산된 자기장 분포를 검색하는 데는 추가로 30분이 걸립니다. 이 주기는 재구성당 10회 반복되어 약 400분의 누적 처리 시간을 산출합니다.
소프트웨어 환경은 표 2에 요약되어 있습니다. 노트북은 VNA 및 안테나 스위치용 제어 장치와의 통신을 관리하기 위해 분석기 제어 프로그램으로 구성됩니다. 하드웨어 연결에는 안정적인 명령 전송을 보장하기 위해 디지털 입력/출력(DIO) 인터페이스와 범용 인터페이스 버스(GPIB)-USB 변환 케이블이 필요합니다. 다른 모든 재구성 프로그램은 Microsoft Excel, FEMTET 및 MATLAB을 지원해야 하는 워크스테이션에 설치됩니다. FEMTET는 유한 요소 방법을 통해 이미징 영역에서 맥스웰 방정식을 푸는 데 사용되는 반면, MATLAB은 IDBA 반전에 필요한 수치 루틴을 실행합니다.
측정된 산란 데이터를 수치 순방향 모델과 정렬하려면 엄격한 보정 절차가 필요합니다. 보정은 조직 모방 매체를 근사화하도록 설계된 두 개의 균질한 유전체 팬텀(그림 2D)을 사용하여 수행됩니다. 1.9GHz에서 팬텀 1은 상대 유전율 6.65이고 유전 손실 탄젠트는 0.438인 반면, 팬텀 2는 상대 유전율 4.66이고 손실 탄젠트는 0.289입니다. 보정 파일인 cal_2314_94_ver2.mat는 측정된 S-파라미터와 시뮬레이션된 S-파라미터 간의 체계적인 불일치를 보정하는 보정 계수를 포함하는 사전 생성됩니다. 이러한 계수는 팬텀의 전송 특성에 대한 FEMTET 기반 시뮬레이션에서 파생되었으며 프로토타입12로 얻은 실험 측정값에 대해 교차 검증됩니다. 이 보정은 수치 모델링과 실험 데이터 간의 일관성을 보장하여 반복 재구성 프로세스의 수렴을 안정화합니다.
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프로토콜
모든 임상 절차는 아이치 의과 대학의 임상시험 검토 위원회의 승인을 받았습니다(특정 임상 연구 인증 번호: CRB4200004).
1. 장치 설정
- 본체, OA(Office Automation) 랙 및 환자 침대를 수용할 수 있을 만큼 충분히 큰 방을 준비합니다.
알림: 환자의 프라이버시를 보장하기 위해 커튼이나 칸막이를 사용하여 본체와 침대를 분리하는 것이 좋습니다(그림 4A). 최소 AC 100V, 10A의 전원 공급 장치가 필요합니다. - VNA, 제어 장치 및 노트북을 OA 랙에 놓습니다(그림 4B).
- USB 케이블을 통해 전자 교정 모듈(그림 4C)을 VNA에 연결합니다.
- 5개의 D-sub 케이블을 사용하여 안테나 스위치를 제어 장치에 연결합니다.
- 디지털 입력/출력(DIO) 인터페이스와 D-sub 커넥터를 연결하는 케이블을 제어 장치에 연결합니다(그림 4D).
- USB 케이블을 사용하여 DIO 인터페이스를 노트북에 연결합니다.
- RF 케이블을 사용하여 VNA의 입력/출력 포트를 안테나 스위치에 연결합니다(그림 4B,E).
- VNA의 GPIB 포트를 GPIB-USB 변환 케이블(그림 4F)에 연결하고 USB 커넥터를 노트북에 연결합니다.
- 이미징 센서의 흡기 튜브를 흡입기에 연결합니다(그림 4E).
- VNA, 안테나 스위치, 노트북 및 흡인기의 전원 케이블을 AC 콘센트에 연결하고 전원을 켭니다.
2. 초기 매개변수 입력
- 노트북에서 측정 프로그램 Analyzer Control을 실행합니다.
주: 시작 창이 나타납니다(그림 5A). - 시작 주파수 = 1000MHz, 중지 주파수 = 6000MHz, 데이터 포인트 수 = 101, 응답 대기 시간 = 200ms 매개변수를 입력합니다.
참고: 다른 모든 매개변수에는 기본값을 사용해야 합니다. - DIO 버튼을 누른 다음 GPIB 확인 버튼을 누릅니다.
참고: 모든 연결이 올바르면 CAL 마법사, CAL 로드, 자동 측정 및 수동 측정 버튼이 활성화됩니다(그림 5B).
3. 벡터 네트워크 분석기(VNA)의 교정
- 이미징 센서의 안테나 4와 6에 연결된 케이블을 분리하고 전자 교정 모듈의 입력/출력 단자에 연결합니다(그림 6A).
- 제어 장치의 AUTO/MANUAL 스위치를 모두 MANUAL로 설정하고 Tx 토글 스위치를 바이너리 5로, Rx 토글 스위치 를 바이너리 9로 구성합니다(그림 6B).
- CAL 마법사 단추를 누릅니다.
주: CAL 마법사 창 이 나타납니다(그림 6C). - Set Wizard(마법사 설정) 단추를 누릅니다(그림 6C).
- 전자 교정 모듈1을 사용하여 6-19GHz 주파수 대역에서 2포트 교정을 수행합니다.
- 완료되면 CAL 마법사 종료 를 눌러 창을 닫습니다(그림 6C).
- CAL 저장 버튼을 누릅니다.
참고: 데이터 저장 창이 나타납니다(그림 6D). - 보정된 데이터의 이름(예: 20250717.sta)을 입력하고 저장을 누릅니다.
참고: 보정 데이터는 VNA에 저장됩니다. 보정이 이미 수행된 경우 반복할 필요가 없습니다. 이 경우 CAL Load를 누르고 적절한 파일을 선택하고(그림 6E: 예: 20240829.sta) Apply 를 클릭하여 보 정 데이터를 VNA에 로드합니다. - 제어 장치의 AUTO/MANUAL 스위치를 다시 AUTO로 설정합니다.
4. 이미징 절차
- 환자를 침대에 엎드려 눕힙니다(그림 7A).
- 환자의 상의를 위로 당기고 한쪽 유방을 이미징 센서에 넣어 옷이 센서를 가리지 않도록 합니다.
- 흡입기를 켜서 흡입을 시작합니다.
- CTRL 노브를 사용하여 진공 압력을 0.04 - 0.06 MPa로 조정합니다(그림 7B). 압력을 줄일 수 없으면 적절한 흡입이 이루어질 때까지 환자의 위치를 변경하십시오.
- 흡인기 압력이 0MPa로 유지되면 이미징을 중지합니다.
알림: 센서와 유방 사이의 간격으로 인해 정확한 이미지 획득이 불가능합니다. - 자동 측정 버튼을 누릅니다(그림 5B).
알림: 측정 상태 창이 나타납니다(그림 7C). - 측정 범위를 1-28로 설정하고 Skip Reciprocity를 활성화합니다.
- 측정 시작을 눌러 데이터 수집을 시작합니다.
알림: 전송 및 수신 조합은 측정 중에 표시됩니다(그림 7D). 완료되면 결과는 CSV 형식으로 VNA_Results 폴더에 저장됩니다(그림 7E).
5. 이미지 재구성
- MATLAB에서 data_read 프로그램을 엽니다.
- 경로(예: C:\Users\yoshihiko\Desktop\VNA_Results)를 설정하고 출력 데이터 이름과 함께 측정 파일(예: P31_L.csv 및 P31_R.csv)을 지정합니다(그림 8A).
- 편집기에서 버튼을 클릭하여
장비 교정을 위한 .mat 파일을 생성합니다(그림 8B). - MATLAB에서 initialize_for_clinic 프로그램을 엽니다.
- 다음 매개변수를 입력합니다(그림 8C): 재구성 주파수: f = 1.9 × 109Hz ; 측정 파일의 경로 및 이름(예: C:\Users\kuwahara\OneDrive\patient_data\xxxxxxxx); 왼쪽 및 오른쪽 유방 지정(L(:,:,fn)); 환자 워크시트의 경로 및 이름('xxxxxxxx.xlsx', sheet='sheet1')
- 기본 Excel VBA 프로그램에서 사용할 환자 워크시트를 생성하려면 클릭합니다.
참고: 재구성 결과를 저장하기 위한 디렉토리도 생성됩니다. - image_reconstruction_# MATLAB 파일(#은 처리 번호를 나타냄)을 엽니다.
- 환자 워크시트 경로 및 이름(예: G:\patient_sheet\xxxxxxxx_L.xlsx), 재구성 빈도(1.9 × 109Hz ) 및 보정 파일(cal_2314_ver2)을 지정한 다음 설정을 저장합니다(그림 8D).
- Excel에서 multi_person 기본 이미지 재구성 프로그램을 엽니다.
- 6단계에서 생성된 환자 워크시트 이름(예: xxxxxxxx_L에서 vvvvvvv_R까지)을 입력합니다(그림 9A).
참고: 일련의 워크시트 이름을 입력하여 여러 환자의 이미지를 동시에 재구성할 수 있습니다. - Excel 추가 기능에서 VBA 프로그램을 엽니다.
- 처리할 워크시트의 범위를 지정합니다(np = 1 - 8).
- 워크시트의 디렉터리가 Data_read 및 Data_write 표준 모듈에 올바르게 설정되었는지 확인합니다.
- getPDTdata를 선택하고 편집기에서 클릭하여 이미지 재구성 프로세스를 시작합니다(그림 9B).
- 처리 후 환자 워크시트와 함께 mwsdbim_20250617-14h36m04s와 같은 파일 이름으로 지정된 디렉토리에 저장된 재구성된 이미지(3D 단층 촬영 세로 및 가로 단면)를 확인합니다.
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결과
3명의 대표 환자의 영상 결과는 다음과 같습니다.
환자 1
왼쪽 유방 78시 위치에 위치한 34mm × 21mm 암을 앓고 있는 2세 여성. 유선은 주로 지방이 많습니다. 그림 10A 및 그림 10B는 X선 유방조영술 이미지를 보여주는 반면, 그림 10C-F는 프로토타입으로 얻은 이미징 결과를 보여줍니다. 그림 10C 및 그림 10D는 각각 왼쪽 유방의 상대 유전율 및 전도도 분포를 표시하고, 그림 10E 및...
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토론
이 맥락에서 보정은 두 가지 뚜렷한 의미를 갖습니다. 첫째, 측정된 산란 데이터를 보정하여 결과를 수치 모델에 정확하게 통합할 수 있도록 하는 것을 말합니다. 둘째, VNA(Vector Network Analyzer) 자체의 보정을 의미합니다.
교정 또는 측정하기 전에 VNA의 전원을 최소 15분 전에 켜야 하며 전자 교정 모듈의 READY 표시등이 녹색이어야 합니다. 모든 장치 연결을 확인해야 합니다. RF 커넥터는 토크 렌치를 사용하여 단단히 조여야 하며, D-Sub 커넥터 양쪽 끝의 나사가 느슨한 경우 확인하고 조여야 합니다. 안테나와 전자 교정 모듈 사이에 RF 케이블을 연결할 때 커넥터가 손상되지 않도록 특별한 주의가 필요합니다.
유방 배치 및 흡입 중에 환자의 편안함을 면밀히 모니터링해야 합니다. 환자가 불편함이나 통증을 느끼면 ...
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공개 사항
저자는 이 작업과 관련된 어떤 회사와도 상업적 또는 재정적 관계를 맺지 않음을 선언합니다.
감사의 글
이 연구는 일본 과학기술연구보조금, 24K10872의 지원으로 수행되었습니다. 이 연구는 JSPS KAKENHI와 일본 의학 연구 개발 기관(AMED)의 보조금으로 지원되었습니다. 저자는 이 기사에 설명된 기술과 관련된 특허 출원을 제출했습니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 흡입기 | 하나로, | DAS-01 | |
| 디지털 IO | 내셔널 인스트루멘츠 | USB6501 | |
| 일렉크레오닉 보정 모듈 | 애질런트 | 85093C | 중단되었습니다. 85093D로 교체하세요. |
| 전자기 시뮬레이터 | 무라타 소프트웨어 | FEMTET | |
| 엑셀 VBA | 마이크로소프트 | 사무실 | |
| GPIB USB 변환 케이블 | 내셔널 인스트루멘츠 | GPIB-USB-HS | |
| 수치 소프트웨어 | 수학 작품 | Matlab | |
| VNA | 키사이트 | E5071C |
참고문헌
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