Zgłaszamy jednocześnie protokół obrazowania ultrasonograficznego i fotoakustycznego dla przezpochwowego obrazowania zmian w jajnikach/przydatkach. Protokół może być cenny dla innych translacyjnych badań obrazowania fotoakustycznego, zwłaszcza tych wykorzystujących komercyjne matryce ultradźwiękowe do wykrywania sygnałów fotoakustycznych i standardowe algorytmy kształtowania wiązki z opóźnieniem i sumą do obrazowania.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Jednoczesny protokół obrazowania ultrasonograficznego i fotoakustycznego do przezpochwowego obrazowania zmian w jajnikach
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Rak jajnika pozostaje najbardziej śmiertelnym ze wszystkich nowotworów ginekologicznych z powodu braku niezawodnych narzędzi przesiewowych do wczesnego wykrywania i diagnozowania. Obrazowanie fotoakustyczne lub tomografia (PAT) to nowa metoda obrazowania, która może zapewnić całkowite stężenie hemoglobiny (skala względna, rHbT) i nasycenie krwi tlenem (%sO2) zmian w jajnikach/przydatkach, które są ważnymi parametrami w diagnostyce raka. W połączeniu z korejestrowanymi badaniami ultrasonograficznymi (USG), PAT wykazał ogromny potencjał w wykrywaniu raka jajnika i dokładnym diagnozowaniu zmian w jajnikach w celu skutecznej oceny ryzyka i zmniejszenia liczby niepotrzebnych operacji łagodnych zmian. Jednak według naszej wiedzy protokoły obrazowania PAT w zastosowaniach klinicznych znacznie różnią się w zależności od badania. W tym miejscu przedstawiamy protokół obrazowania przezpochwowego raka jajnika, który może być korzystny dla innych badań klinicznych, zwłaszcza tych wykorzystujących komercyjne matryce ultradźwiękowe do wykrywania sygnałów fotoakustycznych i standardowe algorytmy kształtowania wiązki z opóźnieniem i sumą do obrazowania.
Wprowadzenie
Obrazowanie lub tomografia fotoakustyczna (PAT) to hybrydowa metoda obrazowania, która mierzy rozkład absorpcji optycznej w rozdzielczości amerykańskiej i głębokości daleko poza granicą dyfuzji optycznej tkanki (~1 mm). W PAT nanosekundowy impuls laserowy jest używany do wzbudzania tkanki biologicznej, powodując przejściowy wzrost temperatury z powodu absorpcji optycznej. Prowadzi to do początkowego wzrostu ciśnienia, a wynikowe fale fotoakustyczne są mierzone przez przetworniki amerykańskie. Wielospektralny PAT polega na użyciu przestrajalnego lasera lub wielu laserów działających na różnych długościach fal w celu oświetlenia tkanki, umożliwiając w ten sposób rekonstrukcję map absorpcji optycznej na wielu długościach fal. Opierając się na zróżnicowanej absorpcji natlenionej i odtlenionej hemoglobiny w oknie bliskiej podczerwieni (NIR), wielospektralny PAT może obliczyć rozkłady stężeń hemoglobiny utlenionej i odtlenionej, całkowite stężenie hemoglobiny i nasycenie krwi tlenem, które są funkcjonalnymi biomarkerami związanymi z angiogenezą guza i zużyciem natlenienia krwi lub metabolizmem guza. PAT wykazał się sukcesem w wielu zastosowaniach onkologicznych, takich jak rak jajnika1,2, rak piersi3,4,5, rak skóry6, rak tarczycy7,8, rak szyjki macicy9, rak prostaty10,11, oraz rak jelita grubego12.
Rak jajnika jest najbardziej śmiertelnym ze wszystkich nowotworów ginekologicznych. Tylko 38% nowotworów jajnika jest diagnozowanych we wczesnym stadium (miejscowym lub regionalnym), gdzie 5-letnie przeżycie wynosi od 74,2% do 93,1%. Większość z nich jest diagnozowana w późnym stadium, dla którego 5-letni wskaźnik przeżycia wynosi 30,8% lub mniej13. Wykazano, że obecne metody diagnostyki klinicznej, w tym ultrasonografia przezpochwowa (TUS), USG Dopplera, antygen raka surowicy 125 (CA 125) i białko ludzkiego najądrza 4 (HE4), nie są czułe i swoiste we wczesnej diagnostyce raka jajnika14,15,16. Ponadto duża część łagodnych zmian w jajnikach może być trudna do dokładnego zdiagnozowania przy użyciu obecnych technologii obrazowania, co prowadzi do niepotrzebnych operacji ze zwiększonymi kosztami opieki zdrowotnej i powikłań chirurgicznych. W związku z tym potrzebne są dodatkowe dokładne nieinwazyjne metody stratyfikacji ryzyka mas przydatków, aby zoptymalizować leczenie i wyniki. Oczywiste jest, że potrzebna jest technika, która jest czuła i specyficzna dla wczesnego stadium raka jajnika oraz dokładniejsza w identyfikacji zmian złośliwych od łagodnych.
Nasza grupa opracowała wspólnie zarejestrowany przezpochwowy system US i PAT (USPAT) do diagnozowania raka jajnika, łącząc kliniczny system US, specjalnie wykonaną osłonę sondy do przechowywania światłowodów do dostarczania światła, oraz przestrajalny laser1. Całkowite stężenie hemoglobiny (skala względna, rHbT) i nasycenie krwi tlenem (%sO2) uzyskane z systemu USPAT wykazały duży potencjał w wykrywaniu raka jajnika we wczesnym stadium i dokładnym diagnozowaniu zmian w jajnikach w celu skutecznej oceny ryzyka i redukcji zbędnych operacji łagodnych zmian chorobowych1,2. Aktualny schemat systemu jest pokazany w Rysunek 1, a schemat bloku sterowania jest pokazany w Rysunek 2. Strategia ta może zostać zintegrowana z istniejącymi protokołami TUS w diagnostyce raka jajnika, zapewniając jednocześnie parametry funkcjonalne (rHbT, %sO2) w celu poprawy czułości i swoistości TUS.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
Wszystkie przeprowadzone badania zostały zatwierdzone przez Państwową Komisję Rewizyjną Uniwersytetu Waszyngtońskiego.
1. Konfiguracja systemu: Oświetlenie optyczne (Rysunek 1)
- Użyj lasera Nd:YAG pompującego pulsacyjny, przestrajany (690-890 nm) laser Ti-szafirowy o częstotliwości 10 Hz.
- Rozszerz wiązkę laserową, najpierw rozchodząc wiązkę za pomocą soczewki płasko-wklęsłej, a następnie kolimując wiązkę za pomocą soczewki płasko-wypukłej. Użyj dwóch lusterek, aby skierować wiązkę na rozdzielacz wiązki (opisany poniżej).
- Podziel rozszerzoną wiązkę laserową na cztery wiązki o równej energii, dzieląc oryginalną wiązkę na dwie za pomocą rozdzielacza wiązki polaryzacyjnej, a następnie dzieląc dwie wiązki za pomocą dwóch kolejnych rozdzielaczy wiązki drugiego stopnia.
- Zamontuj cztery światłowody wielomodowe za pomocą uchwytów światłowodowych.
- Użyj czterech płasko-wypukłych soczewek, aby skupić cztery wiązki laserowe w czterech włóknach.
- Ze względu na bezpieczeństwo lasera wszystkie elementy optyczne należy przykryć metalową skrzynką, aby upewnić się, że ścieżka optyczna nie jest odsłonięta.
- Przymocuj drugie końce czterech włókien do przezpochwowej sondy ultradźwiękowej i zamknij sondę i włókna w osłonie ochronnej.
UWAGA: Osłona i okienko akustyczne przetwornika są pokryte wysoce odblaskową białą farbą w celu poprawy równomierności oświetlenia. Wcześniej wykazano, że ta konfiguracja, w tym użycie czterech włókien do dostarczania światła, jest optymalna do zastosowań przezpochwowych17. Zobacz dyskusję, aby uzyskać więcej informacji.
2. Konfiguracja systemu: Schemat wykrywania i skanowania ultradźwiękowego
- Użyj programowalnego systemu klinicznego US.
UWAGA: Programowalny system oznacza, że surowe dane ultradźwiękowe są dostępne i można zaprogramować niestandardowe protokoły akwizycji danych i algorytmy przetwarzania. - Podłącz dodatkowy monitor do systemu amerykańskiego, aby uruchomić oprogramowanie wyświetlające USPAT w celu wizualizacji w czasie rzeczywistym map rHbT, %sO2 i innych parametrów funkcjonalnych.
- Podłącz wewnętrzny spust lasera do zewnętrznego spustu systemu amerykańskiego.
- Użyj podejścia multipleksowania z podziałem czasu w trybie współrejestrowanym, w szczególności dla każdej długości fali, sekwencyjnie uzyskaj pięć kolejnych ramek PAT i jedną współrejestrowaną ramkę US. Uśrednij ramki PAT, aby poprawić stosunek sygnału do szumu. Całkowity czas pozyskiwania danych dla czterech długości fal wynosi około 15 s.
3. Kalibracja systemu
- Ustaw energię pompy laserowej na ustalony poziom.
- Dla każdej długości fali (750 nm, 780 nm, 800 nm i 830 nm) sprawdź moc wyjściową impulsu na każdej końcówce światłowodu, aby upewnić się, że obliczona gęstość energii dla każdej wybranej długości fali jest równa oczekiwanej wartości podanej w tabeli 1.
- Jeśli moc wyjściowa jest niższa niż oczekiwano, dostosuj wyrównanie optyczne, dostosowując kąty zwierciadła i rozdzielacza wiązki. Ten krok nie zawsze jest potrzebny.
- Powtarzaj kroki 3.2-3.4, aż energia będzie zadowalająca.
- Zapisz energię wyjściową czterech włókien przy każdej długości fali i wprowadź wartości w oprogramowaniu wyświetlającym USPAT.
UWAGA: Wartości te służą do kalibracji obliczeń rHbT. Energia lasera zmienia się w czasie, a kalibracja zapewnia, że parametry ilościowe obliczone na podstawie danych wielospektralnych PAT są tak dokładne, jak to tylko możliwe.
4. Przykładowa procedura eksperymentalna: Przezpochwowe obrazowanie USPAT ludzkiego jajnika
- Przygotowanie systemu obrazowania USPAT
- Zdezynfekuj sondę USG endojamy i osłonę za pomocą standardowego protokołu czyszczenia sondy ultradźwiękowej w placówce.
- Włącz kliniczny system US, uruchom oprogramowanie systemu US i wybierz odpowiedni przetwornik US.
- Skalibruj system laserowy jak w kroku 3.
- Wprowadź całkowitą energię impulsu dla każdej długości fali do oprogramowania wyświetlania USPAT.
- Zamontuj sondę USPAT, umieszczając włókna i sondę w osłonie sondy.
- Przygotowanie pacjenta
- Postępuj zgodnie z protokołem specyficznym dla instytucji, aby uzyskać świadomą zgodę i przygotować pacjenta.
- Obrazowania
- Zlokalizuj docelowy jajnik za pomocą pulse-echo US.
UWAGA: Ten krok jest wykonywany przez lekarza prowadzącego badanie, który może dowolnie dostosowywać parametry obrazowania w klinicznym urządzeniu USG, takie jak głębokość, zakres dynamiczny i TGC. - Wybierz żądaną głębokość w oprogramowaniu sterującym USPAT.
- Kliknij przycisk Scan (Skanuj) w oprogramowaniu sterującym, aby rozpocząć współrejestrowane pobieranie danych w trybie B USPAT. Obejrzyj oprogramowanie do wyświetlania obrazów USPAT, aby przejrzeć współzarejestrowane obrazy US i PAT B-mode oraz zrekonstruowane mapy funkcjonalne w czasie rzeczywistym.
- Powtórz kroki 4.3.1-4.3.3, aby uzyskać więcej obrazów i (jeśli to konieczne) zobrazować drugą zmianę.
- Zlokalizuj docelowy jajnik za pomocą pulse-echo US.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
W tej sekcji przedstawiamy przykłady złośliwych i łagodnych zmian jajnika obrazowanych za pomocą USPAT. Rysunek 3 przedstawia 50-letnią kobietę przed menopauzą z obustronnymi wielotorbielowatymi guzami załączek wykrytymi w tomografii komputerowej z kontrastem. Rysunek 3A pokazuje obraz US załączek lewych, gdzie ROI oznacza podejrzany guzek lity wewnątrz zmiany torbielowatej. Rysunek 3B przedstawia mapę rHbT PAT nałożoną na obraz US,...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Oświetlenie optyczne
Liczba użytych włókien zależy od dwóch czynników: jednorodności oświetlenia oraz złożoności systemu. Kluczowe jest uzyskanie jednorodnego wzoru oświetlenia na powierzchni skóry, aby uniknąć powstawania punktów przegrzania. Ważne jest również, aby utrzymać prostotę i wytrzymałość systemu, stosując minimalną liczbę włókien. Wcześniej wykazano, że zastosowanie czterech osobnych włókien jest optymalne dla zapewnienia jednorodnego oświetlenia na głębokości kilku milimetrów i więcej. P...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają żadnych istotnych interesów finansowych w manuskrypcie ani żadnych innych potencjalnych konfliktów interesów, które mogliby ujawnić.
Podziękowania
Ta praca była wspierana przez NCI (R01CA151570, R01CA237664). Autorzy dziękują całej grupie ginekologiczno-onkologicznej kierowanej przez dr Mathew Powella za pomoc w rekrutacji pacjentów, radiologom dr Cary'emu Siegelowi, Williamowi Middletonowi i Malakowi Itnai za pomoc w badaniach w USA oraz patologowi dr Ianowi Hagemannowi za pomoc w patologicznej interpretacji danych. Autorzy wyrażają wdzięczność za wysiłki Megan Luther i koordynatorów badania GYN w koordynowaniu harmonogramów badań, identyfikowaniu pacjentek do badania i uzyskiwaniu świadomej zgody.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Kliniczny system obrazowania w USA | Alpinion Medical Systems | EC-12R | W pełni programowalny kliniczny system US |
| Lustro dielektryczne | Thorlabs | BB1-E03 | Służy do odbijania światła wzdłuż ścieżki optycznej |
| Endocavity US Przetwornik | Alpinion Medical Systems | EC3-10 | Przezpochwowa sonda ultradźwiękowa |
| Miernik mocy lasera | Coherent | LabMax TOP | Używany do pomiaru energii lasera |
| Światłowód wielomodowy | Thorlabs | FP1000ERT | Sprzężenie światła laserowego z sondą ultradźwiękową endocavity |
| Niepolaryzacyjna płyta rozdzielacza wiązki | Thorlabs | BSW11 | Do rozdzielania wiązki laserowej na czujniki do pomiaru energii |
| Soczewka plano-wklęsła | Thorlabs | LC1715 | Do rozszerzania wiązki laserowej |
| Soczewka plano-wypukła | Thorlabs | LA1484-B | Do kolimacji wiązki laserowej Soczewka |
| płasko-wypukła | Thorlabs | LA1433-B | Służy do skupiania światła w czterech włóknach światłowodowych |
| Kostka rozdzielacza wiązki polaryzacyjnej | Thorlabs | PBS252 | Do rozdzielania wiązki laserowej na cztery wiązki |
| Sonda ochronna shealth | Niestandardowe drukowane | Przytrzymaj i chroń cztery włókna światłowodowe na końcówce sondy ultradźwiękowej | |
| Lustro pryzmatyczne pod kątem prostym | Thorlabs | MRA25-E03 | Służy do odbijania światła wzdłuż ścieżki optycznej |
| Przestrajalny system laserowy | Symphotic TII | LS-2145-LT50PC | Źródło światła do wielospektralnego oprogramowania sterującego PAT |
| USPAT | Specjalnie opracowany w C++ | Controls parametry akwizycji aparatu ultradźwiękowego i | |
| oprogramowanie do wyświetlania obrazu USPAT | Specjalnie opracowany w C++ | Wyświetla skany B US/PAT i mapy sO2/rHbT w rzeczywistości Godzina |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
