Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Протокол ультразвуковой и фотоакустической визуализации для трансвагинальной визуализации поражений яичников

2.7K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/64864

⸱

3 марта 2023 г.

 ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Washington University, 2Department of Electrical & Systems Engineering, Washington University, 3Department of Radiology, Washington University School of Medicine

В этой статье

Краткое содержание

Мы сообщаем о протоколе ультразвуковой и фотоакустической визуализации для трансвагинальной визуализации поражений яичников / придаточных книжек. Протокол может быть полезен для других трансляционных фотоакустических исследований, особенно тех, в которых используются коммерческие ультразвуковые решетки для обнаружения фотоакустических сигналов и стандартные алгоритмы формирования луча с задержкой и суммой для визуализации.

Аннотация

Рак яичников остается самым смертоносным из всех гинекологических злокачественных новообразований из-за отсутствия надежных инструментов скрининга для раннего выявления и диагностики. Фотоакустическая визуализация или томография (PAT) является новым методом визуализации, который может обеспечить общую концентрацию гемоглобина (относительная шкала, rHbT) и насыщение крови кислородом (% sO2) поражений яичников / придаточных отверстий, которые являются важными параметрами для диагностики рака. В сочетании с УЗИ ПАТ продемонстрировал большой потенциал для выявления рака яичников и точной диагностики поражений яичников для эффективной оценки риска и сокращения ненужных операций доброкачественных поражений. Тем не менее, протоколы визуализации PAT в клинических приложениях, насколько нам известно, в значительной степени различаются между различными исследованиями. Здесь мы сообщаем о протоколе визуализации трансвагинального рака яичников, который может быть полезен для других клинических исследований, особенно тех, в которых используются коммерческие ультразвуковые решетки для обнаружения фотоакустических сигналов и стандартные алгоритмы формирования луча с задержкой и суммой для визуализации.

Введение

Фотоакустическая визуализация или томография (PAT) представляет собой гибридную модальность визуализации, которая измеряет распределение оптического поглощения с разрешением США и глубиной далеко за пределами предела оптической диффузии ткани (~ 1 мм). В PAT наносекундный лазерный импульс используется для возбуждения биологической ткани, вызывая временное повышение температуры из-за оптического поглощения. Это приводит к начальному повышению давления, и результирующие фотоакустические волны измеряются американскими преобразователями. Мультиспектральный PAT включает в себя использование либо перестраиваемого лазера, либо нескольких лазеров, работающих на разных длинах волн для освещения ткани, тем самым позволяя реконструировать карты оптического поглощения на нескольких длинах волн. Основываясь на дифференциальном поглощении оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина в ближнем инфракрасном (NIR) окне, мультиспектральный ПАТ может вычислять распределение концентраций оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина, общую концентрацию гемоглобина и насыщение крови кислородом, которые являются функциональными биомаркерами, связанными с ангиогенезом опухоли и потреблением оксигенации крови или метаболизмом опухоли. PAT продемонстрировал успех во многих онкологических приложениях, таких как рак яичников 1,2, рак молочной железы 3,4,5, рак кожи6, рак щитовидной железы 7,8, рак шейки матки9, рак предстательной железы10,11 и колоректальный рак12.

Рак яичников является самым смертоносным из всех гинекологических злокачественных новообразований. Только 38% случаев рака яичников диагностируются на ранней (локализованной или региональной) стадии, где 5-летняя выживаемость составляет от 74,2% до 93,1%. Большинство диагностируется на поздней стадии, для которой 5-летняя выживаемость составляет 30,8% или менее13. Современные методы клинической диагностики, включая трансвагинальное УЗИ (TUS), допплеровскую УЗИ, антиген рака сыворотки 125 (CA 125) и белок придатка яичка человека 4 (HE4), не имеют чувствительности и специфичности для ранней диагностики рака яичников 14,15,16. Кроме того, большую часть доброкачественных поражений яичников может быть трудно точно диагностировать с помощью современных технологий визуализации, что приводит к ненужным операциям с повышенными расходами на здравоохранение и хирургическими осложнениями. Таким образом, для оптимизации управления и результатов необходимы дополнительные точные неинвазивные методы стратификации риска аднексальных масс. Очевидно, что необходима техника, которая чувствительна и специфична для рака яичников на ранней стадии и более точна в выявлении злокачественных и доброкачественных поражений.

Наша группа разработала корегистрированную трансвагинальную систему US и PAT (USPAT) для диагностики рака яичников, объединив клиническую систему УЗИ, изготовленную на заказ оболочку зонда для размещения оптических волокон для доставки света и перестраиваемый лазер1. Общая концентрация гемоглобина (относительная шкала, rHbT) и насыщение крови кислородом (%sO2), полученные из системы USPAT, продемонстрировали большой потенциал для выявления рака яичников на ранней стадии и для точной диагностики поражений яичников для эффективной оценки риска и сокращения ненужных операций по удалению доброкачественных поражений 1,2. Текущая схема системы показана на рисунке 1, а блок-схема управления показана на рисунке 2. Эта стратегия может быть интегрирована в существующие протоколы TUS для диагностики рака яичников, обеспечивая при этом функциональные параметры (rHbT, %sO2) для улучшения чувствительности и специфичности TUS.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Все проведенные исследования были одобрены Советом по институциональному обзору Вашингтонского университета.

1. Конфигурация системы: Оптическая подсветка (рисунок 1)

  1. Используйте лазер Nd:YAG, накачивающий импульсный, перестраиваемый (690-890 нм) Ti-сапфировый лазер с частотой 10 Гц.
  2. Расширьте лазерный луч, сначала разделив луч плоскоогнутой линзой, а затем коллимировав луч плано-выпуклой линзой. Используйте два зеркала, чтобы направить луч на светоделитель (описано ниже).
  3. Разделите расширенный лазерный луч на четыре луча с равной энергией, разделив исходный луч на два с помощью поляризационного делителя пучка, а затем разделив два луча еще двумя двух лучами второго уровня.
  4. Установите четыре многомодовых оптических волокна с волоконными патронами.
  5. Используйте четыре плосковыпуклые линзы, чтобы сфокусировать четыре лазерных луча на четыре волокна.
  6. Из соображений безопасности лазера, закройте все оптические компоненты под металлической коробкой, чтобы гарантировать, что оптический путь не подвергается воздействию.
  7. Прикрепите другие концы четырех волокон к трансвагинальному ультразвуковому зонду и заключите зонд и волокна в защитную оболочку.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Оболочка и акустическое окно преобразователя покрыты высокоотражающей белой краской для улучшения равномерности освещения. Ранее было показано, что эта установка, включая использование четырех волокон для доставки света, является оптимальной для трансвагинальных применений17. Дополнительные сведения см. в обсуждении.

2. Конфигурация системы: Схема ультразвукового обнаружения и сканирования

  1. Используйте программируемую клиническую систему УЗИ.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Программируемая система означает, что необработанные ультразвуковые данные доступны, и пользовательские протоколы сбора данных и алгоритмы обработки могут быть запрограммированы.
  2. Подключите дополнительный монитор к американской системе для запуска программного обеспечения отображения USPAT для визуализации в режиме реального времени rHbT, карт %sO2 и других функциональных параметров.
  3. Подключите внутренний триггер лазера к внешнему триггеру системы США.
  4. Используйте подход мультиплексирования с временным разделением в режиме coregistered; в частности, для каждой длины волны последовательно приобретайте пять последовательных кадров PAT и один корегистрированный американский кадр. Усредните кадры PAT для улучшения отношения сигнал/шум. Общее время сбора данных для четырех длин волн составляет около 15 с.

3. Калибровка системы

  1. Установите энергию лазерного насоса на фиксированный уровень.
  2. Для каждой длины волны (750 нм, 780 нм, 800 нм и 830 нм) проверьте выходную энергию на импульс на каждом кончике волокна, чтобы убедиться, что расчетная плотность энергии на каждой выбранной длине волны находится на ожидаемом значении, приведенном в таблице 1.
  3. Если выходная энергия ниже, чем ожидалось, выполните тонкую настройку оптического выравнивания, отрегулировав углы зеркала и луча. Этот шаг не всегда нужен.
  4. Повторяйте шаги 3.2-3.4 до тех пор, пока энергия не станет удовлетворительной.
  5. Запишите выходную энергию четырех волокон на каждой длине волны и введите значения в программное обеспечение для отображения USPAT.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эти значения используются для калибровки расчета rHbT. Энергия лазера колеблется с течением времени, и калибровка гарантирует, что количественные параметры, вычисляемые из мультиспектральных данных PAT, являются максимально точными.

4. Экспериментальная процедура образца: трансвагинальная визуализация USPAT яичника человека

  1. Подготовка системы визуализации USPAT
    1. Продезинфицируйте эндополостной УЗИ зонд и покровную оболочку стандартным протоколом очистки ультразвукового зонда в учреждении.
    2. Включите клиническую систему УЗИ, запустите программное обеспечение системы США и выберите правильный американский преобразователь.
    3. Откалибруйте лазерную систему, как показано на шаге 3.
    4. Введите общую энергию импульса для каждой длины волны в программное обеспечение дисплея USPAT.
    5. Соберите зонд USPAT, заключив волокна и зонд в оболочку зонда.
  2. Подготовка пациента
    1. Следуйте протоколу конкретного учреждения, чтобы получить информированное согласие и подготовить пациента.
  3. Отображение
    1. Найдите целевой яичник с помощью импульсно-эхо УЗИ.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг выполняется исследуемым врачом, который может свободно настраивать параметры визуализации на клинической машине США, такие как глубина, динамический диапазон и TGC.
    2. Выберите нужную глубину в программном обеспечении управления USPAT.
    3. Нажмите кнопку Сканировать в управляющем программном обеспечении, чтобы начать сбор данных USPAT B-mode. Посмотрите программное обеспечение для отображения изображений USPAT, чтобы просмотреть встроенные изображения США и PAT B-режима и реконструированные функциональные карты в режиме реального времени.
    4. Повторите шаги 4.3.1-4.3.3, чтобы получить больше изображений и (при необходимости) изобразить второе поражение.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Здесь мы показываем примеры злокачественных и нормальных поражений яичников, изображенных USPAT. На рисунке 3 показана 50-летняя женщина в пременопаузе с двусторонними многокистозными придаточными массами, выявленными с помощью контрастной КТ. На рисунке 3А показано американское изображение левого придатка с ROI, отмечающим подозрительный твердый узелок внутри кистозного поражения. На рисунке 3B показана карта PAT rHbT, наложенная н...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Оптическая подсветка
Количество используемых волокон основано на двух факторах: равномерности освещения света и сложности системы. Очень важно иметь равномерный световой рисунок освещения на поверхности кожи, чтобы избежать горячих точек. Также важно, чтобы система была простой и надежной с минимальным количеством волокон. Ранее было показано, что использование четырех отдельных волокон является оптимальным для создания равномерного освещения на глубинах от нескольких миллиметров и выше. Кроме того, с...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют соответствующих финансовых интересов в рукописи и никаких других потенциальных конфликтов интересов для раскрытия.

Благодарности

Эта работа была поддержана NCI (R01CA151570, R01CA237664). Авторы благодарят всю онкологическую группу гинекологов во главе с доктором Мэтью Пауэллом за помощь в наборе пациентов, радиологов докторов Кэри Сигела, Уильяма Миддлтона и Малака Итнаи за помощь в исследованиях в США и патологоанатома доктора Яна Хагеманна за помощь в интерпретации данных патологии. Авторы с благодарностью отмечают усилия Меган Лютер и координаторов исследований GYN в координации графиков исследования, выявлении пациентов для исследования и получении информированного согласия.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Клиническая система визуализации УЗИAlpinion Medical SystemsEC-12RПолностью программируемая клиническая система УЗИ
Диэлектрическое зеркалоThorlabsBB1-E03Используется для отражения света по оптическому тракту
Эндополостный ультразвуковой датчикAlpinion Medical SystemsEC3-10Трансвагинальный ультразвуковой зонд
Лазерный измеритель мощностиCoherentLabMax TOPИспользуется для измерения энергии
лазера Многомодовое оптическое волокноThorlabsFP1000ERTСопряжение лазерного света с внутриполостным ультразвуковым зондом
Пластина для неполяризационного светоделителяThorlabsBSW11Для расщепления лазерного луча на датчики для измерения энергии
Плосково-вогнутая линзаThorlabsLC1715Для расширения лазерного луча
Плоско-выпуклая линза ThorlabsLA1484-BДля коллимации лазерного луча
Плоско-выпуклая линза ThorlabsLA1433-BИспользуется для фокусировки света на четыре оптических волокна
Поляризационный куб светоделителяThorlabsPBS252Для разделения лазерного луча на четыре луча
Защитный зондИзготовлен на 3D-принтереУдерживает и защищает четыре оптических волокна на кончике ультразвукового зонда
Прямоугольное зеркало призмыThorlabsMRA25-E03Используется для отражения света вдоль оптического пути
Настраиваемая лазерная системаSymphotic TIILS-2145-LT50PCИсточник света для мультиспектрального
ПАТ Управляющее программное обеспечение USPATСпециально разработано на C++Управляет регистрацией параметров ультразвукового аппарата и лазерной длины волны
Программное обеспечение для отображения изображений USPATСпециально разработано на C++Отображает УЗИ/ПАТ B-сканы и карты sO2/rHbT в реальных условиях Время

Ссылки

  1. Nandy, S., et al. Evaluation of ovarian cancer: Initial application of coregistered photoacoustic tomography and US. Radiology. 289 (3), 740-747 (2018).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Menezes, G. L. G., et al. Downgrading of breast masses suspicious for cancer by using optoacoustic breast imaging. Radiology. 288 (2), 355-365 (2018).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Han, S., Lee, H., Kim, C., Kim, J. Review on multispectral photoacoustic analysis of cancer: Thyroid and breast. Metabolites. 12 (5), 382(2022).
  8. Kim, J., et al. Multiparametric photoacoustic analysis of human thyroid cancers in vivo. Cancer Research. 81 (18), 4849-4860 (2021).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Kothapalli, S. -R., et al. Simultaneous transrectal ultrasound and photoacoustic human prostate imaging. Science Translational Medicine. 11 (507), 2169(2019).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Oppenheim, A. V., Schafer, R. W. Digital Signal Processing. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (1975).
  19. Zou, Y., Amidi, E., Luo, H., Zhu, Q. Ultrasound-enhanced Unet model for quantitative photoacoustic tomography of ovarian lesions. Photoacoustics. 28, 100420(2022).
  20. Prince, J. L., Links, J. M. Medical Imaging Signals and Systems. , Prentice-Hall. Upper Saddle River, NJ. (2006).
  21. Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Scientific Reports. 6, 35137(2016).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Протокол ультразвуковой и фотоакустической визуализации для трансвагинальной визуализации поражений яичников
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.