Relatamos um protocolo de ultrassonografia e fotoacústica co-registrado para a imagem transvaginal de lesões ovarianas/anexiais. O protocolo pode ser valioso para outros estudos de imagem fotoacústica translacional, especialmente aqueles que utilizam matrizes de ultrassom comerciais para a detecção de sinais fotoacústicos e algoritmos padrão de formação de feixe de atraso e soma para imagens.
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Artigo de método
Um Protocolo de Ultrassonografia e Imagem Fotoacústica Co-Registrado para a Imagem Transvaginal de Lesões Ovarianas
Neste artigo
Resumo
Resumo
O câncer de ovário continua sendo a mais mortal de todas as neoplasias ginecológicas devido à falta de ferramentas de triagem confiáveis para detecção e diagnóstico precoces. A imagem fotoacústica ou tomografia (PAT) é uma modalidade de imagem emergente que pode fornecer a concentração total de hemoglobina (escala relativa, rHbT) e a saturação de oxigênio no sangue (%sO2) de lesões ovarianas/anexiais, que são parâmetros importantes para o diagnóstico de câncer. Combinado com a ultrassonografia (US) co-registrada, o PAT demonstrou grande potencial para detectar cânceres de ovário e para diagnosticar com precisão lesões ovarianas para avaliação de risco eficaz e redução de cirurgias desnecessárias de lesões benignas. No entanto, os protocolos de imagem PAT em aplicações clínicas, até onde sabemos, variam muito entre os diferentes estudos. Aqui, relatamos um protocolo de imagem de câncer de ovário transvaginal que pode ser benéfico para outros estudos clínicos, especialmente aqueles que usam matrizes de ultrassom comerciais para a detecção de sinais fotoacústicos e algoritmos padrão de formação de feixe de atraso e soma para imagens.
Introdução
A imagem fotoacústica ou tomografia (PAT) é uma modalidade de imagem híbrida que mede a distribuição da absorção óptica na resolução e profundidades dos EUA muito além do limite de difusão óptica tecidual (~ 1 mm). No PAT, um pulso de laser de nanossegundos é usado para excitar o tecido biológico, causando um aumento transitório da temperatura devido à absorção óptica. Isso leva a um aumento de pressão inicial, e as ondas fotoacústicas resultantes são medidas por transdutores de US. O PAT multiespectral envolve o uso de um laser ajustável ou múltiplos lasers operando em diferentes comprimentos de onda para iluminar o tecido, permitindo assim a reconstrução de mapas de absorção óptica em vários comprimentos de onda. Com base na absorção diferencial de hemoglobina oxigenada e desoxigenada na janela do infravermelho próximo (NIR), o PAT multiespectral pode calcular as distribuições das concentrações de hemoglobina oxigenada e desoxigenada, a concentração total de hemoglobina e a saturação de oxigênio no sangue, que são todos biomarcadores funcionais relacionados à angiogênese tumoral e ao consumo de oxigenação sanguínea ou metabolismo tumoral. O PAT tem demonstrado sucesso em muitas aplicações oncológicas, como câncer de ovário1,2, câncer de mama 3,4,5, câncer de pele6, câncer de tireoide7,8, câncer de colo do útero9, câncer de próstata10,11 e câncer colorretal12.
O câncer de ovário é a mais mortal de todas as malignidades ginecológicas. Apenas 38% dos cânceres de ovário são diagnosticados em um estágio precoce (localizado ou regional), onde a taxa de sobrevida em 5 anos é de 74,2% a 93,1%. A maioria é diagnosticada em um estágio tardio, para o qual a taxa de sobrevida em 5 anos é de 30,8% ou menos13. Os métodos atuais de diagnóstico clínico, incluindo ultrassonografia transvaginal (UST), US Doppler, antígeno do câncer sérico 125 (CA 125) e proteína 4 do epidídimo humano (HE4), mostram-se carentes de sensibilidade e especificidade para o diagnóstico precoce do câncer de ovário14,15,16. Além disso, uma grande parte das lesões ovarianas benignas pode ser difícil de diagnosticar com precisão com as tecnologias de imagem atuais, o que leva a cirurgias desnecessárias com aumento dos custos de saúde e complicações cirúrgicas. Assim, métodos não invasivos precisos adicionais para a estratificação de risco de massas anexiais são necessários para otimizar o manejo e os resultados. Claramente, uma técnica que seja sensível e específica para o câncer de ovário em estágio inicial e mais precisa na identificação de lesões malignas de benignas é necessária.
Nosso grupo desenvolveu um sistema transvaginal de US e PAT co-registrado (USPAT) para o diagnóstico de câncer de ovário, combinando um sistema clínico de EUA, uma bainha de sonda personalizada para abrigar as fibras ópticas para entrega de luz e um laser ajustável1. A concentração total de hemoglobina (escala relativa, rHbT) e a saturação de oxigênio no sangue (%sO2) derivada do sistema USPAT têm demonstrado grande potencial para a detecção de cânceres de ovário em estágio inicial e para o diagnóstico preciso de lesões ovarianas para avaliação eficaz do risco e redução de cirurgias desnecessárias de lesões benignas 1,2. O esquema atual do sistema é mostrado na Figura 1 e o diagrama de blocos de controle é mostrado na Figura 2. Essa estratégia tem o potencial de ser integrada aos protocolos existentes de UST para o diagnóstico do câncer de ovário, ao mesmo tempo em que fornece parâmetros funcionais (rHbT, %sO2) para melhorar a sensibilidade e a especificidade da UST.
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Protocolo
Toda a pesquisa realizada foi aprovada pelo Conselho de Revisão Institucional da Universidade de Washington.
1. Configuração do sistema: Iluminação óptica (Figura 1)
- Use um laser Nd:YAG bombeando um laser de safira Ti-safira pulsado e ajustável (690-890 nm) a 10 Hz.
- Expanda o feixe de laser primeiro divergindo o feixe com uma lente plano-côncava e, em seguida, colimando o feixe com uma lente plano-convexa. Use dois espelhos para direcionar o feixe para um divisor de feixe (descrito abaixo).
- Divida o feixe de laser expandido em quatro feixes com energia igual, dividindo o feixe original em dois com um divisor de feixe polarizador e, em seguida, dividindo os dois feixes com mais dois divisores de feixe de segundo estágio.
- Monte quatro fibras ópticas multimodo com mandril de fibra.
- Use quatro lentes plano-convexas para focar os quatro feixes de laser nas quatro fibras.
- Devido a considerações de segurança do laser, cubra todos os componentes ópticos sob uma caixa de metal para garantir que o caminho óptico não esteja exposto.
- Prenda as outras extremidades das quatro fibras à sonda de ultrassom transvaginal e envolva a sonda e as fibras em uma bainha protetora.
NOTA: A bainha e a janela acústica do transdutor são revestidas com tinta branca altamente reflexiva para melhorar a uniformidade da iluminação. Essa configuração, incluindo o uso de quatro fibras para o parto à luz, mostrou-se anteriormente ideal para aplicações transvaginais17. Consulte a discussão para obter mais informações.
2. Configuração do sistema: Esquema de detecção e varredura ultra-sônica
- Use um sistema clínico programável de EUA.
NOTA: Um sistema programável significa que os dados brutos de ultrassom estão acessíveis e protocolos personalizados de aquisição de dados e algoritmos de processamento podem ser programados. - Conecte um monitor adicional ao sistema dos EUA para executar o software de exibição USPAT para a visualização em tempo real dos mapas rHbT, %sO2 e outros parâmetros funcionais.
- Conecte o gatilho interno do laser ao gatilho externo do sistema dos EUA.
- Use uma abordagem de multiplexação por divisão de tempo durante o modo co-registrado; especificamente, para cada comprimento de onda, adquira sequencialmente cinco quadros PAT consecutivos e um quadro US co-registrado. Faça a média dos quadros PAT para melhorar a relação sinal-ruído. O tempo total de aquisição de dados para quatro comprimentos de onda é de cerca de 15 s.
3. Calibração do sistema
- Defina a energia da bomba de laser para um nível fixo.
- Para cada comprimento de onda (750 nm, 780 nm, 800 nm e 830 nm), verifique a saída de energia por pulso em cada ponta de fibra para se certificar de que a densidade de energia calculada em cada comprimento de onda selecionado está no valor esperado dado na Tabela 1.
- Se a saída de energia for menor do que o esperado, ajuste o alinhamento óptico ajustando os ângulos do espelho e do divisor de feixe. Esta etapa nem sempre é necessária.
- Repita os passos 3.2-3.4 até que a energia seja satisfatória.
- Registre a saída de energia das quatro fibras em cada comprimento de onda e insira os valores no software de exibição USPAT.
NOTA: Esses valores são usados para calibrar o cálculo do rHbT. A energia do laser flutua ao longo do tempo, e a calibração garante que os parâmetros quantitativos calculados a partir dos dados PAT multiespectrais sejam o mais precisos possível.
4. Um procedimento experimental de amostra: Imagem USPAT transvaginal do ovário humano
- Preparação do sistema de imagem USPAT
- Desinfete a sonda US da endocavidade e a bainha da tampa com o protocolo de limpeza da sonda de ultrassom padrão na instituição.
- Ligue o sistema clínico dos EUA, inicie o software do sistema dos EUA e selecione o transdutor dos EUA correto.
- Calibre o sistema a laser como na etapa 3.
- Insira a energia total de pulso para cada comprimento de onda no software de exibição USPAT.
- Monte a sonda USPAT envolvendo as fibras e a sonda dentro da bainha da sonda.
- Preparação do paciente
- Seguir o protocolo específico da instituição para obter o consentimento informado e preparar o paciente.
- Imagiologia
- Localize o ovário alvo usando o pulso-eco US.
NOTA: Esta etapa é feita pelo médico do estudo, que é livre para ajustar os parâmetros de imagem na máquina clínica de US, como a profundidade, a faixa dinâmica e o TGC. - Selecione a profundidade desejada no software de controle USPAT.
- Clique em Digitalizar no software de controle para iniciar a aquisição de dados do modo B USPAT co-registrado. Assista ao software de exibição de imagens USPAT para revisar as imagens co-registradas nos EUA e no modo B PAT e mapas funcionais reconstruídos em tempo real.
- Repita os passos 4.3.1-4.3.3 para adquirir mais imagens e (se necessário) visualizar a segunda lesão.
- Localize o ovário alvo usando o pulso-eco US.
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Resultados
Aqui, mostramos exemplos de lesões ovarianas malignas e normais fotografadas pelo USPAT. A Figura 3 mostra uma mulher na pré-menopausa de 50 anos com massas anexiais multicísticas bilaterais reveladas pela TC com contraste. A Figura 3A mostra a imagem US dos anexos esquerdos com o ROI marcando o nódulo sólido suspeito dentro da lesão cística. A Figura 3B mostra o mapa PAT rHbT sobreposto aos EUA e mostrado em vermelho. A rHbT aprese...
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Discussão
Iluminação óptica
O número de fibras utilizadas é baseado em dois fatores: uniformidade da iluminação luminosa e complexidade do sistema. É fundamental ter um padrão uniforme de iluminação de luz na superfície da pele para evitar pontos quentes. Também é importante manter o sistema simples e robusto, com um número mínimo de fibras. O uso de quatro fibras separadas já se mostrou ideal para criar iluminação uniforme em profundidades de vários milímetros e além. Além disso, o acoplamento da luz a quatro ...
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Divulgações
Os autores não têm interesses financeiros relevantes no manuscrito e nenhum outro conflito de interesse potencial para divulgar.
Agradecimentos
Este trabalho foi apoiado pelo NCI (R01CA151570, R01CA237664). Os autores agradecem a todo o grupo de oncologia GYN liderado pelo Dr. Mathew Powell por ajudar no recrutamento de pacientes, aos radiologistas Drs. Cary Siegel, William Middleton e Malak Itnai por ajudar nos estudos dos EUA e ao patologista Dr. Ian Hagemann por ajudar na interpretação patológica dos dados. Os autores agradecem os esforços de Megan Luther e dos coordenadores do estudo GYN na coordenação dos cronogramas do estudo, na identificação de pacientes para o estudo e na obtenção do consentimento informado.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Sistema de imagem clínica dos EUA | Alpinion Medical Systems | EC-12R | Sistema clínico dos EUA totalmente programável |
| Espelho dielétrico | Thorlabs | BB1-E03 | Usado para refletir a luz ao longo do caminho óptico |
| Transdutor dos EUA de endocavidade | Alpinion Medical Systems | EC3-10 | Sonda de ultrassom transvaginal |
| Medidor de potência a laser | Coerente | LabMax TOP | Usado para medir a energia do laser |
| Fibra óptica multimodo | Thorlabs | FP1000ERT | Acoplar luz laser à sonda de ultrassom endocavidade |
| Placa divisora de feixe não polarizante | Thorlabs | BSW11 | Para dividir o feixe de laser em sensores para medir a energia |
| Lente plano-côncava | Thorlabs | LC1715 | Para expansão do feixe de laser |
| Lente plano-convexa | Thorlabs | LA1484-B | Para colimação de feixe de laser |
| Lente plano-convexa | Thorlabs | LA1433-B | Usado para focalizar a luz em quatro fibras ópticas |
| Cubo divisor de feixe polarizador | Thorlabs | PBS252 | Para dividir o feixe de laser em quatro feixes |
| Sonda de proteção shealth | Impresso | Segure e proteja as quatro fibras ópticas na ponta da sonda de ultrassom | |
| Espelho de prisma de ângulo reto | Thorlabs | MRA25-E03 | Usado para refletir a luz ao longo do caminho óptico |
| Sistema de laser sintonizável | TII Symphotic | LS-2145-LT50PC | Fonte de luz para PAT multiespectral |
| Software de controle USPAT | Desenvolvido sob medida em C++ | Controla os parâmetros de aquisição da máquina de ultrassom e do comprimento de onda do laser | |
| Software de exibição de imagem USPAT | Desenvolvido sob medida em C++ | Exibe os mapas US/PAT B-scans e sO2/rHbT em tempo real Hora |
Referências
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Reimpressões e permissões
