We rapporteren een co-geregistreerd echografie- en fotoakoestisch beeldvormingsprotocol voor de transvaginale beeldvorming van ovariële / adnexale laesies. Het protocol kan waardevol zijn voor andere translationele fotoakoestische beeldvormingsstudies, met name die met behulp van commerciële ultrasone arrays voor de detectie van fotoakoestische signalen en standaard delay-and-sum beamforming-algoritmen voor beeldvorming.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Een co-geregistreerd echografie- en fotoakoestisch beeldvormingsprotocol voor de transvaginale beeldvorming van ovariumlaesies
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Eierstokkanker blijft de dodelijkste van alle gynaecologische maligniteiten vanwege het gebrek aan betrouwbare screeningsinstrumenten voor vroege detectie en diagnose. Fotoakoestische beeldvorming of tomografie (PAT) is een opkomende beeldvormingsmodaliteit die de totale hemoglobineconcentratie (relatieve schaal, rHbT) en bloedzuurstofverzadiging (% sO2) van ovariële / adnexale laesies kan bieden, die belangrijke parameters zijn voor de diagnose van kanker. In combinatie met co-geregistreerde echografie (VS) heeft PAT een groot potentieel aangetoond voor het detecteren van eierstokkankers en voor het nauwkeurig diagnosticeren van ovariumlaesies voor een effectieve risicobeoordeling en de vermindering van onnodige operaties van goedaardige laesies. PAT-beeldvormingsprotocollen in klinische toepassingen variëren echter, voor zover wij weten, grotendeels tussen verschillende onderzoeken. Hier rapporteren we een transvaginaal beeldvormingsprotocol voor eierstokkanker dat gunstig kan zijn voor andere klinische studies, vooral die met behulp van commerciële ultrasone arrays voor de detectie van fotoakoestische signalen en standaard delay-and-sum beamforming-algoritmen voor beeldvorming.
Inleiding
Fotoakoestische beeldvorming of tomografie (PAT) is een hybride beeldvormingsmodaliteit die de optische absorptieverdeling meet met Amerikaanse resolutie en diepten ver boven de optische diffusielimiet van het weefsel (~ 1 mm). In PAT wordt een nanoseconde laserpuls gebruikt om biologisch weefsel te exciteren, waardoor een voorbijgaande temperatuurstijging ontstaat als gevolg van optische absorptie. Dit leidt tot een initiële drukstijging en de resulterende fotoakoestische golven worden gemeten door Amerikaanse transducers. Multispectrale PAT omvat het gebruik van een instelbare laser of meerdere lasers die op verschillende golflengten werken om het weefsel te verlichten, waardoor de reconstructie van optische absorptiekaarten op meerdere golflengten mogelijk wordt. Op basis van de differentiële absorptie van zuurstofrijk en zuurstofarm hemoglobine in het nabij-infrarood (NIR) venster, kan multispectrale PAT de verdelingen van zuurstofrijke en gedeoxygeneerde hemoglobineconcentraties, de totale hemoglobineconcentratie en de bloedzuurstofverzadiging berekenen, die allemaal functionele biomarkers zijn die verband houden met tumorangiogenese en bloedoxygenatieconsumptie of tumormetabolisme. PAT heeft succes geboekt in veel oncologische toepassingen, zoals eierstokkanker 1,2, borstkanker 3,4,5, huidkanker6, schildklierkanker 7,8, baarmoederhalskanker9, prostaatkanker10,11 en colorectale kanker12.
Eierstokkanker is de dodelijkste van alle gynaecologische maligniteiten. Slechts 38% van de eierstokkankers wordt gediagnosticeerd in een vroeg (gelokaliseerd of regionaal) stadium, waar de 5-jaarsoverleving 74,2% tot 93,1% is. De meeste worden in een laat stadium gediagnosticeerd, waarvoor de 5-jaarsoverleving 30,8% of minderis 13. Huidige klinische diagnosemethoden, waaronder transvaginale echografie (TUS), Doppler US, serumkankerantigeen 125 (CA 125) en humaan epididymumeiwit 4 (HE4), blijken gevoeligheid en specificiteit te missen voor vroege diagnose van eierstokkanker 14,15,16. Bovendien kan een groot deel van de goedaardige ovariumlaesies moeilijk nauwkeurig te diagnosticeren zijn met de huidige beeldvormingstechnologieën, wat leidt tot onnodige operaties met verhoogde zorgkosten en chirurgische complicaties. Er zijn dus aanvullende nauwkeurige niet-invasieve methoden voor de risicostratificatie van adnexale massa's nodig om het beheer en de resultaten te optimaliseren. Het is duidelijk dat een techniek nodig is die gevoelig en specifiek is voor eierstokkanker in een vroeg stadium en nauwkeuriger is in het identificeren van kwaadaardige van goedaardige laesies.
Onze groep heeft een co-geregistreerd transvaginaal US en PAT-systeem (USPAT) ontwikkeld voor de diagnose van eierstokkanker door een klinisch Amerikaans systeem, een op maat gemaakte sondemantel te combineren om de optische vezels voor lichtafgifte te huisvesten en een instelbare laser1. De totale hemoglobineconcentratie (relatieve schaal, rHbT) en de bloedzuurstofverzadiging (%sO2) afgeleid van het USPAT-systeem hebben een groot potentieel aangetoond voor de detectie van eierstokkanker in een vroeg stadium en voor het nauwkeurig diagnosticeren van ovariumlaesies voor effectieve risicobeoordeling en de vermindering van onnodige goedaardige laesieoperaties 1,2. Het huidige systeemschema is weergegeven in figuur 1 en het controleblokdiagram is weergegeven in figuur 2. Deze strategie heeft het potentieel om te worden geïntegreerd in bestaande TUS-protocollen voor de diagnose van eierstokkanker en tegelijkertijd functionele parameters (rHbT, %sO2) te bieden om de gevoeligheid en specificiteit van TUS te verbeteren.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Al het uitgevoerde onderzoek werd goedgekeurd door de Washington University Institutional Review Board.
1. Systeemconfiguratie: Optische verlichting (figuur 1)
- Gebruik een Nd:YAG laser die een gepulseerde, instelbare (690-890 nm) Ti-saffierlaser op 10 Hz pompt.
- Breid de laserstraal uit door de straal eerst te divergeren met een plano-concave lens en vervolgens de straal te collimeren met een plano-convexe lens. Gebruik twee spiegels om de straal op een bundelsplitser te richten (hieronder beschreven).
- Splits de uitgebreide laserstraal in vier stralen met gelijke energie door de oorspronkelijke straal in tweeën te splitsen met een polariserende bundelsplitser en vervolgens de twee stralen te splitsen met nog twee tweedetraps bundelsplitsers.
- Monteer vier multi-mode optische vezels met fiber chucks.
- Gebruik vier plano-convexe lenzen om de vier laserstralen in de vier vezels te richten.
- Bedek vanwege laserveiligheidsoverwegingen alle optische componenten onder een metalen doos om ervoor te zorgen dat het optische pad niet wordt blootgesteld.
- Bevestig de andere uiteinden van de vier vezels aan de transvaginale ultrasone sonde en omsluit de sonde en de vezels in een beschermende omhulling.
OPMERKING: De mantel en het akoestische venster van de transducer zijn gecoat met sterk reflecterende witte verf om de uniformiteit van de verlichting te verbeteren. Deze opstelling, inclusief het gebruik van vier vezels voor lichtafgifte, bleek eerder optimaal te zijn voor transvaginale toepassingen17. Zie de discussie voor meer informatie.
2. Systeemconfiguratie: Ultrasoon detectie- en scanschema
- Gebruik een programmeerbaar klinisch Amerikaans systeem.
OPMERKING: Een programmeerbaar systeem betekent dat de ruwe ultrasone gegevens toegankelijk zijn en dat aangepaste protocollen voor gegevensverzameling en verwerkingsalgoritmen kunnen worden geprogrammeerd. - Sluit een extra monitor aan op het Amerikaanse systeem om de USPAT-weergavesoftware uit te voeren voor de real-time visualisatie van de rHbT-, %sO2-kaarten en andere functionele parameters.
- Sluit de interne trigger van de laser aan op de externe trigger van het Amerikaanse systeem.
- Gebruik een time-division multiplexing-benadering tijdens de co-geregistreerde modus; in het bijzonder, voor elke golflengte, sequentieel verwerven vijf opeenvolgende PAT-frames en één co-geregistreerd AMERIKAANS frame. Gemiddelde van de PAT-frames om de signaal-ruisverhouding te verbeteren. De totale data-acquisitietijd voor vier golflengten is ongeveer 15 s.
3. Systeemkalibratie
- Stel de energie van de laserpomp in op een vast niveau.
- Controleer voor elke golflengte (750 nm, 780 nm, 800 nm en 830 nm) de energie-output per puls bij elke vezelpunt om er zeker van te zijn dat de berekende energiedichtheid bij elke geselecteerde golflengte op de verwachte waarde in tabel 1 ligt.
- Als de energie-output lager is dan verwacht, stemt u de optische uitlijning af door de spiegel- en bundelsplitsingshoeken aan te passen. Deze stap is niet altijd nodig.
- Herhaal stap 3.2-3.4 totdat de energie voldoende is.
- Noteer de energie-output van de vier vezels op elke golflengte en voer de waarden in de USPAT-weergavesoftware in.
OPMERKING: Deze waarden worden gebruikt om de berekening van de rHbT te kalibreren. De laserenergie fluctueert in de loop van de tijd en kalibratie zorgt ervoor dat de kwantitatieve parameters die worden berekend op basis van de multispectrale PAT-gegevens zo nauwkeurig mogelijk zijn.
4. Een experimentele monsterprocedure: Transvaginale USPAT-beeldvorming van de menselijke eierstok
- Voorbereiding van het USPAT-beeldvormingssysteem
- Desinfecteer de endocaviteit US-sonde en de afdekmantel met het standaard ultrasone sondereinigingsprotocol in de instelling.
- Schakel het klinische Amerikaanse systeem in, start de Amerikaanse systeemsoftware en selecteer de juiste Amerikaanse transducer.
- Kalibreer het lasersysteem zoals in stap 3.
- Voer de totale pulsenergie voor elke golflengte in de USPAT-weergavesoftware in.
- Monteer de USPAT-sonde door de vezels en de sonde in de sondemantel te plaatsen.
- Voorbereiding van de patiënt
- Volg het instellingsspecifieke protocol om geïnformeerde toestemming te verkrijgen en de patiënt voor te bereiden.
- Beeldvorming
- Lokaliseer de doel eierstok met behulp van pulse-echo US.
OPMERKING: Deze stap wordt uitgevoerd door de onderzoeksarts, die vrij is om de beeldvormingsparameters op de klinische Amerikaanse machine aan te passen, zoals de diepte, het dynamische bereik en de TGC. - Selecteer de gewenste diepte in de USPAT-besturingssoftware.
- Klik op Scannen in de besturingssoftware om de gezamenlijk geregistreerde USPAT B-mode data-acquisitie te starten. Bekijk de USPAT-beeldweergavesoftware om de gezamenlijk geregistreerde Amerikaanse en PAT B-modusbeelden en gereconstrueerde functionele kaarten in realtime te bekijken.
- Herhaal stap 4.3.1-4.3.3 om meer beelden te verkrijgen en (indien nodig) de tweede laesie in beeld te brengen.
- Lokaliseer de doel eierstok met behulp van pulse-echo US.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Hier tonen we voorbeelden van kwaadaardige en normale ovariële laesies afgebeeld door USPAT. Figuur 3 toont een 50-jarige premenopauzale vrouw met bilaterale multicysteuze adnexale massa's onthuld door contrastversterkte CT. Figuur 3A toont het Amerikaanse beeld van de linker adnexa met de ROI die de verdachte vaste knobbel in de cystische laesie markeert. Figuur 3B toont de PAT rHbT-kaart die op de VS is geplaatst en in het rood is...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Optische verlichting
Het aantal gebruikte vezels is gebaseerd op twee factoren: uniformiteit van de lichtverlichting en complexiteit van het systeem. Het is van cruciaal belang om een uniform lichtverlichtingspatroon op het huidoppervlak te hebben om hotspots te voorkomen. Het is ook belangrijk om het systeem eenvoudig en robuust te houden met een minimaal aantal vezels. Het gebruik van vier afzonderlijke vezels is eerder optimaal gebleken voor het creëren van uniforme verlichting op diepten van enkel...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben geen relevante financiële belangen in het manuscript en geen andere potentiële belangenconflicten om bekend te maken.
Dankbetuigingen
Dit werk werd ondersteund door het NCI (R01CA151570, R01CA237664). De auteurs bedanken de hele GYN-oncologiegroep onder leiding van Dr. Mathew Powell voor het helpen bij het werven van patiënten, radiologen Drs. Cary Siegel, William Middleton en Malak Itnai voor het helpen met de Amerikaanse studies, en de patholoog Dr. Ian Hagemann voor het helpen met de pathologie-interpretatie van de gegevens. De auteurs erkennen dankbaar de inspanningen van Megan Luther en de GYN-studiecoördinatoren bij het coördineren van de studieschema's, het identificeren van patiënten voor de studie en het verkrijgen van geïnformeerde toestemming.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Clinical US imaging system | Alpinion Medical Systems | EC-12R | Volledig programmeerbaar klinisch US-systeem |
| Dielectric mirror | Thorlabs | BB1-E03 | Wordt gebruikt om licht langs het optische pad te reflecteren |
| Endocavity US transducer | Alpinion Medical Systems | EC3-10 | Transvaginale echografiesonde |
| Laser power meter | Coherent | LabMax TOP | Wordt gebruikt om laserenergie te meten |
| Multi-mode optical fiber | Thorlabs | FP1000ERT | Koppel laserlicht naar de endocavitair echografiesonde |
| Non-polarizing beam splitter plate | Thorlabs | BSW11 | Voor het splitsen van laserstraal in sensoren om energie te meten |
| Plano-concave lens | Thorlabs | LC1715 | Voor laserstraaluitbreiding |
| Plano-convex lens | Thorlabs | LA1484-B | Voor laserstraalcollimatie |
| Plano-convex lens | Thorlabs | LA1433-B | Wordt gebruikt om licht in vier optische vezels te focussen |
| Polarizing beam splitter cube | Thorlabs | PBS252 | Voor het splitsen van laserstraal in vier stralen |
| Protective probe shealth | Custom 3D printed | Houdt en beschermt de vier optische vezels aan het uiteinde van de echografiesonde | |
| Right angle prism mirror | Thorlabs | MRA25-E03 | Wordt gebruikt om licht langs het optische pad te reflecteren |
| Tunable laser system | Symphotic TII | LS-2145-LT50PC | Lichtbron voor multispectrale PAT |
| USPAT control software | Custom developed in C++ | Regelt de acquisitieparameters van de echografiemachine en de lasergolflengte | |
| USPAT image display software | Custom developed in C++ | Geeft de US/PAT B-scans en sO2/rHbT-kaarten in realtime weer |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
