Protokół ten opisuje procedurę obrazowania na urządzeniu mikrofalowym do obrazowania piersi.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Protokół ten opisuje procedurę obrazowania na urządzeniu mikrofalowym do obrazowania piersi.
Rak piersi jest najczęstszym nowotworem wśród kobiet, a wczesne wykrywanie i leczenie są kluczowe dla poprawy wyników klinicznych. Mammografia rentgenowska pozostaje standardową metodą przesiewową; Jednak ma on kilka ograniczeń, w tym ekspozycję na promieniowanie, dyskomfort u pacjentek oraz zmniejszoną wrażliwość u kobiet z gęstą tkanką piersiową. Obrazowanie mikrofalowe, technika niejonizująca, stało się obiecującą alternatywą. Opracowaliśmy urządzenie, które rekonstruuje struktury tkanki piersi poprzez rozwiązanie problemu odwrotnego rozpraszania i jest obecnie w trakcie badań klinicznych. System ten generuje trójwymiarowe obrazy tomograficzne bez użycia środków kontrastowych i bez powodowania bólu podczas badania. Do tej pory badano obrazowanie 24 pacjentek z rakiem piersi, z dokładnością 86% dla guzów ≥ średnicy 1 cm oraz 58% dla guzów < 1 cm. W tym artykule przedstawiamy szczegółowy protokół przygotowania urządzenia, obrazowania klinicznego i przetwarzania danych, wraz z reprezentatywnymi wynikami obrazowania wybranych pacjentów.
Rak piersi jest najczęstszym nowotworem wśród kobiet, z około 95 000 nowych przypadków diagnozowanych rocznie w Japonii1. Wczesne wykrywanie i leczenie są niezbędne dla poprawy wyników leczenia pacjentów.
Obecnie standardowym narzędziem przesiewowym jest mammografia rentgenowska. Jednak jego wrażliwość jest ograniczona u kobiet z gęstą tkanką piersiową, co utrudnia wykrycie małych guzów2. Aby rozwiązać to ograniczenie, często stosuje się ultradźwięki jako dodatkową metodę diagnostyczną. Badania ultrasonograficzne wymagają wysokiego poziomu umiejętności operatora, a dokładność diagnostyczna samej mammografii lub ultrasonografii wynosi około 60%. Rezonans magnetyczny z wzmocnieniem kontrastu (MRI) osiąga dokładność przekraczającą 90%; niemniej jednak, ze względu na wysokie koszty sprzętu i badań, MRI nie nadaje się do rutynowych badań przesiewowych i jest głównie zarezerwowane do podejmowania decyzji chirurgicznych oraz planowania leczenia3.
Ostatnio obrazowanie mikrofalowe przyciąga coraz większą uwagę jako potencjalna alternatywa zdolna przezwyciężyć ograniczenia mammografii i ultrasonografii4. Gdy promieniowanie mikrofalowe oddziałuje z tkanką biologiczną, na granicach dielektrycznych występują silne odbicia. Refleksyjność jest ponad rzędu wielkości wyższa niż w prześwietleniu rentgenowskim czy ultrasonograficznym, co umożliwia wykrywanie drobnych zmian. Badania nad wykrywaniem raka piersi za pomocą obrazowania mikrofalowego trwają od ponad 25 lat, a kilka badań klinicznych odnotowało5.
Obrazowanie mikrofalowe można ogólnie podzielić na dwie kategorie: obrazowanie konfokalne, które rekonstruuje rozkład rozproszonej mocy, oraz tomografia rozpraszająca, która rekonstruuje rozkład przenikalności zespolonej (stała dielektryczna i przewodność elektryczna)6,7. Obrazowanie konfokalne jest koncepcyjnie podobne do diagnostyki ultradźwiękowej; jednak z powodu licznych odbić wewnątrz tkanki, struktury wewnętrzne nie mogą być dokładnie odtworzone. Natomiast tomografia rozpraszająca zapewnia dokładne rekonstrukcje nawet w obecności wielu odbić, ale wymaga precyzyjnego modelowania numerycznego rozpraszania elektromagnetycznego. Obecne techniki obliczeniowe elektromagnetyczne nadal napotykają wyzwania w pełnym odwzorowaniu tych zjawisk. Dlatego kalibracja, która dopasowuje dane pomiarowe do modeli numerycznych, jest kluczowa dla praktycznej implementacji8. Ponadto, ponieważ odpowiedzi zmian są mniejsze niż 1/1000 odbicia skóry9, wysoce czułe anteny i odbiorniki o doskonałym stosunku sygnał-szum są niezbędne.
Nasz system rozwiązuje te wyzwania, wprowadzając innowacyjne podejścia do rozwiązywania problemu rozpraszania odwrotnego z wykorzystaniem iteracyjnego zniekształconego przybliżenia Borna (IDBA)10. Opracowano kilka kluczowych technologii, w tym dwupolaryzowaną, dielektrycznie obciążoną antenęhorn 11, metodę kalibracji z użyciem dwóch jednorodnych fantomów12, przymocowanie piersi do czujnika za pomocą ssania13, wielospolaryzowane wzbudzenie fal14 oraz wykorzystanie liniowej zależności między przenikalnością tkanek a przewodnością15. Prototyp urządzenia wykorzystującego te technologie został ukończony we wrześniu 2023 roku, a badania kliniczne rozpoczęły się w listopadzie 2023 roku.
Chociaż obrazowanie mikrofalowe było szeroko badane, wciąż nie istnieje powszechnie akceptowany protokół kliniczny gwarantujący powtarzalne pozyskiwanie danych, solidną kalibrację i stabilną rekonstrukcję obrazu u pacjentów. Ustanowienie takiego protokołu jest niezbędne dla przeniesienia obrazowania mikrofalowego z badań eksperymentalnych do praktycznych zastosowań klinicznych. Protokół przedstawiony w tym badaniu, łączący stabilizację piersi opartą na ssaniu, kalibrację dual-phantom oraz wielospolaryzowane wzbudzanie falowe, odpowiada na te wymagania i zapewnia ustandaryzowane ramy do wiarygodnej oceny klinicznej tomografii mikrofalowej.
Rysunek 1A ilustruje zasadę obrazowania mikrofalowego16. Wokół piersi rozmieszczone są liczne anteny, z których jedna nadaje sygnał, a pozostałe odbierają fale rozproszone. Analizator sieci wektorowych (VNA) pełni funkcję zarówno nadajnika, jak i odbiornika. Jeśli dostępny jest tylko jeden port, transmisja i odbiór są naprzemiennie nadawane, a sygnały rozproszone są rejestrowane dla wszystkich możliwych par anten. Zebrane dane są następnie wykorzystywane do rekonstrukcji obrazów tomograficznych piersi.
Konfiguracja sprzętowa prototypu jest podsumowana w Tabeli 1 i pokazana na Rysunku 1B, natomiast zewnętrzny wygląd prototypu przedstawiono na Rysunku 2A. Urządzenie składa się z ceramicznego pojemnika na pierś, 16 anten przymocowanych do kontenera, przełącznika antenowego do wyboru anteny nadawczej i odbiorczej, VNA do pomiaru charakterystyk transmisji między parami anten, laptopa z oprogramowaniem pomiarowym, jednostki sterującej do koordynacji przełącznika laptopa i anteny oraz aspiratora do stabilizacji piersi za pomocą ssania (rysunek 2C).
Ceramiczny pojemnik z dołączonymi antenami (nazywany czujnikiem obrazującym, Rysunek 2B) oraz przełącznik antenowy znajdują się w głównym korpusie urządzenia. Chociaż istnieje 16 fizycznych anten, 12 z nich jest dwupolaryzowanych, co daje efektywną liczbę anten 28. Urządzenie jest umieszczone obok łóżka, a pacjentka leży na brzuchu, umieszczając pierś w czujniku obrazowania (Rysunek 1C). Aby zminimalizować artefakty obrazowania spowodowane ruchem ciała, pierś jest przymocowana ssącem do czujnika za pomocą aspiratora.
Podczas pomiaru wybierana jest antena nadawcza, a mikrofale o częstotliwości 1,9 GHz o mocy wyjściowej -5 dBm są napromieniowane do piersi. Parametry rozpraszania (S-parametry) są mierzone przez VNA podczas kolejnego przełączania anten nadawczej i odbiorczej, a dane są zapisywane na laptopie. Proces ten powtarza się dla wszystkich kombinacji anten. Pobranie jednej piersi zajmuje około 14 minut. Stosunkowo długi czas pomiaru wynika z procesu przejęcia szeregowego oraz dodatkowych odstępów oczekiwania wprowadzonych w celu zapobiegania błędom komunikacyjnym. Czas pomiaru jest stały u wszystkich pacjentów.
Zarejestrowane pliki pomiarowe są przesyłane do dedykowanego stanowiska roboczego w celu rekonstrukcji obrazu. Podstawowy program sterowania jest zaimplementowany w Excel VBA, który koordynuje przetwarzanie danych i łączy się z symulatorem pola elektromagnetycznego FEMTET oraz platformą analizy numerycznej MATLAB, jak przedstawiono na rysunkach 317,18. Rekonstrukcja pojedynczego obrazu piersi zajmuje około 7 godzin na stacji roboczej wyposażonej w procesor Intel Core i7-14700K i 96 GB pamięci RAM. Ponieważ algorytm rekonstrukcji opiera się na IDBA10, wielowymiarowe, pełnofalowe symulacje elektromagnetyczne muszą być wykonywane wielokrotnie. Każda analiza pola elektromagnetycznego w przód trwa około 10 minut, a pobranie obliczonego rozkładu pola z FEMTET zajmuje dodatkowe 30 minut. Ten cykl powtarza się dziesięć razy podczas rekonstrukcji, co daje łączny czas przetwarzania około 400 minut.
Środowisko programistyczne podsumowano w Tabeli 2. Laptop jest skonfigurowany z programem Analyzer Control do zarządzania komunikacją z VNA oraz jednostką sterującą przełącznikiem anteny. Sprzętowa łączność wymaga cyfrowego interfejsu wejścia/wyjścia (DIO) oraz uniwersalnego kabla konwersyjnego magistrali (GPIB) i USB, aby zapewnić niezawodny transfer poleceń. Wszystkie pozostałe programy rekonstrukcyjne są zainstalowane na stacji roboczej, która musi obsługiwać Microsoft Excel, FEMTET i MATLAB. FEMTET służy do rozwiązywania równań Maxwella w dziedzinie obrazowania metodą elementów skończonych, natomiast MATLAB wykonuje procedury numeryczne wymagane do odwrócenia IDBA.
Wymagana jest rygorystyczna procedura kalibracji, aby wyrównać dane pomiaru rozpraszania z numerycznym modelem przednim. Kalibracja przeprowadza się za pomocą dwóch jednorodnych fantomów dielektrycznych (rysunek 2D), zaprojektowanych do przybliżenia ośrodków naśladujących tkankę. Przy 1,9 GHz phantom 1 wykazuje względną przenikalność 6,65 i styczną strat dielektrycznych 0,438, podczas gdy phantom 2 ma względną przenikalność 4,66 i straty 0,289. Plik kalibracyjny cal_2314_94_ver2.mat jest wstępnie generowany, zawierający współczynniki korekcyjne kompensujące systematyczne rozbieżności między zmierzonymi a symulowanymi parametrami S. Współczynniki te są wyprowadzane na podstawie symulacji opartych na FEMTET dotyczących charakterystyk transmisji fantomów i weryfikowane na podstawie pomiarów eksperymentalnych uzyskanych za pomocą prototypu12. Ta kalibracja zapewnia spójność między modelowaniem numerycznym a danymi eksperymentalnymi, stabilizując zbieżność procesu iteracyjnej rekonstrukcji.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie procedury kliniczne zostały zatwierdzone przez Instytucjonalną Radę Przeglądową Uniwersytetu Medycznego Aichi (Numer Certyfikacyjny Specyficznych Badań Klinicznych: CRB4200004).
1. Konfiguracja urządzenia
2. Wprowadzanie parametrów początkowych
3. Kalibracja analizatora sieci wektorowych (VNA)
4. Procedura obrazowania
5. Rekonstrukcja obrazu
przycisk w edytorze, aby wygenerować plik .mat do kalibracji sprzętu (Rysunek 8B).
aby wygenerować arkusz dla pacjenta do użycia w głównym programie Excel VBA .
w edytorze, aby rozpocząć proces rekonstrukcji obrazu (Rysunek 9B).Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poniżej przedstawiono wyniki obrazowania trzech reprezentatywnych pacjentów:
Pacjent 1
78-letnia kobieta z rakiem 34 mm × 21 mm, zlokalizowanym w pozycji 2 godziny w lewej piersi. Gruczoły mleczne są przeważnie tłuste. Rysunek 10A i 10B przedstawia obrazy mammografii rentgenowskiej, natomiast rysunek 10C-F przedstawia wyniki obrazowania uzyskane prot...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Kalibracja w tym kontekście ma dwa wyraźne znaczenia. Po pierwsze, odnosi się do korekty zmierzonych danych rozpraszania, aby wyniki mogły być dokładnie uwzględnione w modelach numerycznych. Po drugie, odnosi się do kalibracji samego analizatora sieci wektorowych (VNA).
Przed jakąkolwiek kalibracją lub pomiarem VNA powinna być włączona co najmniej 15 minut wcześniej, a wskaźnik READY na elektronicznym module kalibracyjnym musi być zielony. Wszystkie połączenia urządzeń powinny...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak powiązań handlowych ani finansowych z żadnymi firmami związanymi z tą pracą.
Badanie to zostało przeprowadzone przy wsparciu Grant Naukowo-Technologiczny Japonii, 24K10872. Badania te były wspierane grantami od JSPS KAKENHI oraz Japońskiej Agencji Badań i Rozwoju Medycznego (AMED). Autorzy złożyli zgłoszenia patentowe związane z technologią opisaną w tym artykule.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Aspirator | JAKO JEDNO | DAS-01 | |
| cyfrowe IO | Instrumenty narodowe | USB6501 | |
| Moduł kalibracyjny Elecreonic | Agilent | 85093C | Wycofane. Zamień na 85093D. |
| Symulator elektromagnetyczny | Murata Software | FEMTET | |
| Excel VBA | Microsoft | Biuro | |
| Kabel konwersyjny GPIB USB | Instrumenty narodowe | GPIB-USB-HS | |
| Oprogramowanie numeryczne | Mathworks | Matlab | |
| VNA | Keysight | E5071C |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.