Summary
हम डिम्बग्रंथि / एडनेक्सल घावों के ट्रांसवेजाइनल इमेजिंग के लिए एक सह-पंजीकृत अल्ट्रासाउंड और फोटोएकोस्टिक इमेजिंग प्रोटोकॉल की रिपोर्ट करते हैं। प्रोटोकॉल अन्य ट्रांसलेशनल फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग अध्ययनों के लिए मूल्यवान हो सकता है, विशेष रूप से फोटोएकोस्टिक संकेतों का पता लगाने के लिए वाणिज्यिक अल्ट्रासाउंड सरणियों का उपयोग करने वाले और इमेजिंग के लिए मानक देरी-और-योग बीमफॉर्मिंग एल्गोरिदम।
Abstract
प्रारंभिक पहचान और निदान के लिए विश्वसनीय स्क्रीनिंग टूल की कमी के कारण डिम्बग्रंथि का कैंसर सभी स्त्री रोग संबंधी विकृतियों में सबसे घातक बना हुआ है। फोटोएकोस्टिक इमेजिंग या टोमोग्राफी (पीएटी) एक उभरती हुई इमेजिंग पद्धति है जो डिम्बग्रंथि / एडनेक्सल घावों के कुल हीमोग्लोबिन एकाग्रता (सापेक्ष पैमाने, आरएचबीटी) और रक्त ऑक्सीजन संतृप्ति (% एसओ 2) प्रदान कर सकती है, जो कैंसर निदान के लिए महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं। सह-पंजीकृत अल्ट्रासाउंड (यूएस) के साथ संयुक्त, पीएटी ने डिम्बग्रंथि के कैंसर का पता लगाने और प्रभावी जोखिम मूल्यांकन और सौम्य घावों की अनावश्यक सर्जरी में कमी के लिए डिम्बग्रंथि के घावों का सटीक निदान करने की बड़ी क्षमता का प्रदर्शन किया है। हालांकि, नैदानिक अनुप्रयोगों में पीएटी इमेजिंग प्रोटोकॉल, हमारे ज्ञान के लिए, विभिन्न अध्ययनों के बीच काफी हद तक भिन्न होते हैं। यहां, हम एक ट्रांसवेजाइनल डिम्बग्रंथि के कैंसर इमेजिंग प्रोटोकॉल की रिपोर्ट करते हैं जो अन्य नैदानिक अध्ययनों के लिए फायदेमंद हो सकता है, विशेष रूप से फोटोएकोस्टिक संकेतों और इमेजिंग के लिए मानक देरी-और-योग बीमफॉर्मिंग एल्गोरिदम का पता लगाने के लिए वाणिज्यिक अल्ट्रासाउंड सरणियों का उपयोग करने वाले।
Introduction
फोटोएकोस्टिक इमेजिंग या टोमोग्राफी (पीएटी) एक हाइब्रिड इमेजिंग साधन है जो ऊतक ऑप्टिकल प्रसार सीमा (~ 1 मिमी) से परे अमेरिकी संकल्प और गहराई पर ऑप्टिकल अवशोषण वितरण को मापता है। पीएटी में, जैविक ऊतक को उत्तेजित करने के लिए एक नैनोसेकंड लेजर पल्स का उपयोग किया जाता है, जिससे ऑप्टिकल अवशोषण के कारण क्षणिक तापमान बढ़ जाता है। इससे प्रारंभिक दबाव बढ़ता है, और परिणामी फोटोएकोस्टिक तरंगों को अमेरिकी ट्रांसड्यूसर द्वारा मापा जाता है। मल्टीस्पेक्ट्रल पीएटी में ऊतक को रोशन करने के लिए विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर संचालित एक असमर्थ लेजर या कई लेजर का उपयोग शामिल है, जिससे कई तरंग दैर्ध्य पर ऑप्टिकल अवशोषण मानचित्रों का पुनर्निर्माण सक्षम होता है। निकट-अवरक्त (एनआईआर) विंडो में ऑक्सीजन युक्त और डीऑक्सीजनेटेड हीमोग्लोबिन के अंतर अवशोषण के आधार पर, मल्टीस्पेक्ट्रल पीएटी ऑक्सीजन युक्त और डीऑक्सीजनेटेड हीमोग्लोबिन सांद्रता, कुल हीमोग्लोबिन एकाग्रता और रक्त ऑक्सीजन संतृप्ति के वितरण की गणना कर सकता है, जो ट्यूमर एंजियोजेनेसिस और रक्त ऑक्सीकरण खपत या ट्यूमर चयापचय से संबंधित सभी कार्यात्मक बायोमार्कर हैं। पीएटी ने कई ऑन्कोलॉजी अनुप्रयोगों में सफलता का प्रदर्शन किया है, जैसे डिम्बग्रंथि के कैंसर 1,2, स्तन कैंसर 3,4,5, त्वचा कैंसर6, थायरॉयड कैंसर 7,8, गर्भाशय ग्रीवा कैंसर 9, प्रोस्टेट कैंसर10,11, और कोलोरेक्टल कैंसर12।
डिम्बग्रंथि का कैंसर सभी स्त्री रोग संबंधी विकृतियों में सबसे घातक है। केवल 38% डिम्बग्रंथि के कैंसर का निदान प्रारंभिक (स्थानीयकृत या क्षेत्रीय) चरण में किया जाता है, जहां 5 साल की जीवित रहने की दर 74.2% से 93.1% है। अधिकांश का निदान देर से चरण में किया जाता है, जिसके लिए 5 साल की जीवित रहने की दर 30.8% याउससे कम 13 है। ट्रांसवेजाइनल अल्ट्रासोनोग्राफी (टीयूएस), डॉपलर यूएस, सीरम कैंसर एंटीजन 125 (सीए 125), और मानव एपिडीडिमिस प्रोटीन 4 (एचई 4) सहित वर्तमान नैदानिक निदान विधियों को प्रारंभिक डिम्बग्रंथि के कैंसर निदानके लिए संवेदनशीलता और विशिष्टता की कमी दिखाई गई है। इसके अतिरिक्त, सौम्य डिम्बग्रंथि के घावों का एक बड़ा हिस्सा वर्तमान इमेजिंग प्रौद्योगिकियों के साथ सटीक रूप से निदान करना मुश्किल हो सकता है, जिससे स्वास्थ्य देखभाल लागत और शल्य चिकित्सा जटिलताओं में वृद्धि के साथ अनावश्यक सर्जरी होती है। इस प्रकार, प्रबंधन और परिणामों को अनुकूलित करने के लिए एडनेक्सल द्रव्यमान के जोखिम स्तरीकरण के लिए अतिरिक्त सटीक गैर-इनवेसिव तरीकों की आवश्यकता होती है। स्पष्ट रूप से, एक तकनीक जो प्रारंभिक चरण के डिम्बग्रंथि के कैंसर के प्रति संवेदनशील और विशिष्ट है और सौम्य घावों से घातक की पहचान करने में अधिक सटीक है।
हमारे समूह ने एक नैदानिक अमेरिकी प्रणाली, प्रकाश वितरण के लिए ऑप्टिकल फाइबर को रखने के लिए एक कस्टम-निर्मित जांच म्यान और एक असमर्थ लेजर1 के संयोजन से डिम्बग्रंथि के कैंसर के निदान के लिए एक सह-पंजीकृत ट्रांसवेजाइनल यूएस और पीएटी सिस्टम (यूएसपैट) विकसित किया है। यूएसपैट प्रणाली से प्राप्त कुल हीमोग्लोबिन एकाग्रता (सापेक्ष पैमाने, आरएचबीटी) और रक्त ऑक्सीजन संतृप्ति (% एसओ 2) ने प्रारंभिक चरण के डिम्बग्रंथि के कैंसर का पता लगाने और प्रभावी जोखिम मूल्यांकन के लिए डिम्बग्रंथि के घावों का सटीक निदान करने और अनावश्यक सौम्य घाव सर्जरीमें कमी के लिए बड़ी क्षमता का प्रदर्शन किया है। वर्तमान सिस्टम योजनाबद्ध चित्र 1 में दिखाया गया है, और नियंत्रण ब्लॉक आरेख चित्रा 2 में दिखाया गया है। इस रणनीति में टीयूएस की संवेदनशीलता और विशिष्टता में सुधार के लिए कार्यात्मक पैरामीटर (आरएचबीटी, %एसओ 2) प्रदान करते हुए डिम्बग्रंथि के कैंसर निदान के लिए मौजूदा टीयूएस प्रोटोकॉल में एकीकृत होने की क्षमता है।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
किए गए सभी शोध वाशिंगटन विश्वविद्यालय संस्थागत समीक्षा बोर्ड द्वारा अनुमोदित किए गए थे।
1. सिस्टम कॉन्फ़िगरेशन: ऑप्टिकल रोशनी (चित्रा 1)
- 10 हर्ट्ज पर स्पंदित, असमर्थ (690-890 एनएम) टीआई-नीलम लेजर पंपिंग एनडी: याग लेजर का उपयोग करें।
- पहले एक प्लेनो-अवतल लेंस के साथ बीम को अलग करके लेजर बीम का विस्तार करें और फिर बीम को प्लेनो-उत्तल लेंस के साथ मिलाएं। बीम स्प्लिटर (नीचे वर्णित) पर बीम को निर्देशित करने के लिए दो दर्पणों का उपयोग करें।
- विस्तारित लेजर बीम को समान ऊर्जा के साथ चार बीम में विभाजित करके मूल बीम को एक ध्रुवीकरण बीम स्प्लिटर के साथ दो में विभाजित करें और फिर दो और दूसरे चरण के बीम स्प्लिटर्स के साथ दो बीम को विभाजित करें।
- फाइबर चक के साथ चार मल्टी-मोड ऑप्टिकल फाइबर माउंट करें।
- चार फाइबर में चार लेजर बीम पर ध्यान केंद्रित करने के लिए चार प्लेनो-उत्तल लेंस का उपयोग करें।
- लेजर सुरक्षा विचारों के कारण, यह सुनिश्चित करने के लिए एक धातु बॉक्स के नीचे सभी ऑप्टिकल घटकों को कवर करें कि ऑप्टिकल पथ उजागर नहीं है।
- चार तंतुओं के अन्य सिरों को ट्रांसवेजिनल अल्ट्रासाउंड जांच से जोड़ें, और जांच और फाइबर को एक सुरक्षात्मक म्यान में संलग्न करें।
नोट: रोशनी एकरूपता में सुधार के लिए ट्रांसड्यूसर की म्यान और ध्वनिक खिड़की को अत्यधिक प्रतिबिंबित सफेद पेंट के साथ लेपित किया जाता है। प्रकाश वितरण के लिए चार फाइबर के उपयोग सहित इस सेटअप को पहले ट्रांसवेजिनल अनुप्रयोगों17 के लिए इष्टतम दिखाया गया था। अधिक जानकारी के लिए चर्चा देखें।
2. सिस्टम कॉन्फ़िगरेशन: अल्ट्रासोनिक डिटेक्शन और स्कैनिंग योजना
- प्रोग्राम करने योग्य नैदानिक अमेरिकी प्रणाली का उपयोग करें।
नोट: एक प्रोग्राम करने योग्य प्रणाली का मतलब है कि कच्चे अल्ट्रासाउंड डेटा सुलभ है, और कस्टम डेटा अधिग्रहण प्रोटोकॉल और प्रसंस्करण एल्गोरिदम को प्रोग्राम किया जा सकता है। - rHbT, %sO2 मानचित्रों और अन्य कार्यात्मक मापदंडों के रीयल-टाइम विज़ुअलाइज़ेशन के लिए USPAT प्रदर्शन सॉफ़्टवेयर चलाने के लिए एक अतिरिक्त मॉनिटर को US सिस्टम से कनेक्ट करें.
- लेजर के आंतरिक ट्रिगर को अमेरिकी प्रणाली के बाहरी ट्रिगर से कनेक्ट करें।
- सह-पंजीकृत मोड के दौरान समय-विभाजन मल्टीप्लेक्सिंग दृष्टिकोण का उपयोग करें; विशेष रूप से, प्रत्येक तरंग दैर्ध्य के लिए, क्रमिक रूप से पांच लगातार पीएटी फ्रेम और एक सह-पंजीकृत यूएस फ्रेम प्राप्त करें। सिग्नल-टू-शोर अनुपात में सुधार के लिए पीएटी फ्रेम का औसत निकालें। चार तरंग दैर्ध्य के लिए कुल डेटा अधिग्रहण समय लगभग 15 सेकंड है।
3. सिस्टम अंशांकन
- लेजर पंप ऊर्जा को एक निश्चित स्तर पर सेट करें।
- प्रत्येक तरंग दैर्ध्य (750 एनएम, 780 एनएम, 800 एनएम और 830 एनएम) के लिए, प्रत्येक फाइबर टिप पर प्रति पल्स ऊर्जा उत्पादन की जांच करें ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि प्रत्येक चयनित तरंग दैर्ध्य पर गणना की गई ऊर्जा घनत्व तालिका 1 में दिए गए अपेक्षित मूल्य पर है।
- यदि ऊर्जा उत्पादन अपेक्षा से कम है, तो दर्पण और बीम स्प्लिटर कोणों को समायोजित करके ऑप्टिकल संरेखण को ठीक करें। इस कदम की हमेशा आवश्यकता नहीं होती है।
- चरण 3.2-3.4 को तब तक दोहराएं जब तक कि ऊर्जा संतोषजनक न हो।
- प्रत्येक तरंग दैर्ध्य पर चार फाइबर के ऊर्जा उत्पादन को रिकॉर्ड करें, और यूएसपैट डिस्प्ले सॉफ्टवेयर में मान दर्ज करें।
नोट: इन मानों का उपयोग rHbT की गणना को कैलिब्रेट करने के लिए किया जाता है। लेजर ऊर्जा समय के साथ उतार-चढ़ाव करती है, और अंशांकन यह सुनिश्चित करता है कि मल्टीस्पेक्ट्रल पीएटी डेटा से गणना किए गए मात्रात्मक पैरामीटर यथासंभव सटीक हैं।
4. एक नमूना प्रयोगात्मक प्रक्रिया: मानव अंडाशय की ट्रांसवेजाइनल यूएसपैट इमेजिंग
- यूएसपैट इमेजिंग सिस्टम की तैयारी
- संस्थान में मानक अल्ट्रासाउंड जांच सफाई प्रोटोकॉल के साथ एंडोकैविटी यूएस जांच और कवर शीथ को कीटाणुरहित करें।
- नैदानिक यूएस सिस्टम चालू करें, यूएस सिस्टम सॉफ़्टवेयर शुरू करें, और सही यूएस ट्रांसड्यूसर का चयन करें।
- चरण 3 में लेजर सिस्टम को कैलिब्रेट करें।
- यूएसपैट डिस्प्ले सॉफ्टवेयर में प्रत्येक तरंग दैर्ध्य के लिए कुल पल्स ऊर्जा दर्ज करें।
- जांच म्यान के अंदर फाइबर और जांच को संलग्न करके यूएसपैट जांच को इकट्ठा करें।
- रोगी की तैयारी
- सूचित सहमति प्राप्त करने और रोगी को तैयार करने के लिए संस्थान-विशिष्ट प्रोटोकॉल का पालन करें।
- इमेजिंग
- पल्स-इको यूएस का उपयोग करके लक्ष्य अंडाशय का पता लगाएं।
नोट: यह कदम अध्ययन चिकित्सक द्वारा किया जाता है, जो नैदानिक यूएस मशीन पर इमेजिंग मापदंडों को समायोजित करने के लिए स्वतंत्र है, जैसे कि गहराई, गतिशील सीमा और टीजीसी। - USPAT नियंत्रण सॉफ्टवेयर में वांछित गहराई का चयन करें।
- सह-पंजीकृत यूएसपैट बी-मोड डेटा अधिग्रहण शुरू करने के लिए नियंत्रण सॉफ़्टवेयर में स्कैन पर क्लिक करें। सह-पंजीकृत यूएस और पीएटी बी-मोड छवियों और वास्तविक समय में पुनर्निर्मित कार्यात्मक मानचित्रों की समीक्षा करने के लिए यूएसपैट छवि डिस्प्ले सॉफ्टवेयर देखें।
- अधिक छवियों को प्राप्त करने और (यदि आवश्यक हो) दूसरे घाव की छवि बनाने के लिए चरण 4.3.1-4.3.3 दोहराएं।
- पल्स-इको यूएस का उपयोग करके लक्ष्य अंडाशय का पता लगाएं।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
यहां, हम यूएसपैट द्वारा चित्रित घातक और सामान्य डिम्बग्रंथि के घावों के उदाहरण दिखाते हैं। चित्र 3 एक 50 वर्षीय प्रीमेनोपॉज़ल महिला को द्विपक्षीय मल्टीसिस्टिक एडनेक्सल द्रव्यमान के साथ दिखाता है, जो कंट्रास्ट-एन्हांस्ड सीटी द्वारा प्रकट होता है। चित्र 3ए में आरओआई के साथ बाएं एडनेक्सा की अमेरिकी छवि दिखाई देती है जो सिस्टिक घाव के अंदर संदिग्ध ठोस नोड्यूल को चिह्नित करती है। चित्रा 3 बी पीएटी आरएचबीटी मानचित्र को अमेरिका पर सुपरइम्पोज किया गया और लाल रंग में दिखाया गया है। आरएचबीटी ने 1 सेमी से 5 सेमी की गहराई सीमा में व्यापक फैलाव संवहनी वितरण दिखाया और स्तर 17.1 (एयू) पर उच्च था। चित्रा 3 सी अमेरिका पर सुपरइम्पोज किए गए %sO2 वितरण को दर्शाता है, और स्तर 46.4% के औसत मूल्य पर कम था। ROI में rHbT और %sO2 के हिस्टोग्राम rHbT और %sO2 मानचित्रों के दाएँ कोने में दिखाए जाते हैं. सर्जिकल पैथोलॉजी ने दाएं और बाएं अंडाशय दोनों के अच्छी तरह से विभेदित एंडोमेट्रियोइड एडेनोकार्सिनोमा का खुलासा किया।
चित्रा 4 द्विपक्षीय सिस्टिक घावों के साथ एक 46 वर्षीय महिला को दिखाता है। चित्रा 4 ए अधिकतम व्यास में 4.2 सेमी मापने वाले एक साधारण पुटी के साथ दाएं अंडाशय की अमेरिकी छवि दिखाता है। चित्रा 4 बी सह-पंजीकृत यूएस पर सुपरइम्पोज किए गए पीएटी आरएचबीटी मानचित्र को दर्शाता है जो घाव के बाईं ओर 4.8 (ए.यू) के निम्न औसत स्तर के साथ प्रकीर्णन संकेत दिखाता है। चित्र 4C %sO2 मानचित्र दिखाता है, जिसने 67.5% की उच्च %sO2 सामग्री का खुलासा किया। सर्जिकल पैथोलॉजी ने कूपिक अल्सर के साथ एक सामान्य दाहिने अंडाशय का खुलासा किया।
पायलट डेटा के आधार पर, घातक डिम्बग्रंथि के घावों नेसौम्य घावों की तुलना में औसतन 1.9 गुना अधिक आरएचबीटी और 9% कम % एसओ 2 का खुलासा किया। ये दो प्रतिनिधि उदाहरण यूएस-डिटेक्टेड घावों के निदान में पीएटी द्वारा प्रदान किए गए कार्यात्मक मापदंडों के महत्व को उजागर करते हैं।
| तरंगदैर्य | 750 एनएम | 780 एनएम | 800 एनएम | 830 एनएम |
| फाइबर 1 | 4.79 mJ/cm2 | 6.16 mJ/cm2 | 6.59 mJ/cm2 | 6.33 mJ/cm2 |
| फाइबर 2 | 4.62 mJ/cm2 | 5.39 mJ/cm2 | 5.99 mJ/cm2 | 6.50 mJ/cm2 |
| फाइबर 3 | 4.79 mJ/cm2 | 6.07 mJ/cm2 | 6.76 mJ/cm2 | 6.84 mJ/cm2 |
| फाइबर 4 | 4.70 mJ/cm2 | 6.07 mJ/cm2 | 6.67 mJ/cm2 | 6.50 mJ/cm2 |
| कुल | 18.90 mJ/cm2 | 23.69 mJ/cm2 | 26.01 mJ/cm2 | 26.17 mJ/cm2 |
| MPE (ANSI) | 25.2 mJ/cm2 | 28.9 mJ/cm2 | 31.7 mJ/cm2 | 36.4 mJ/cm2 |
तालिका 1: एमजे / सेमी2 की इकाइयों में प्रतिनिधि लेजर ऊर्जा घनत्व माप उनके संबंधित एमपीई मूल्यों के साथ चार तरंग दैर्ध्य के लिए चार फाइबर युक्तियों के साथ युग्मित है।
चित्रा 1: सह-पंजीकृत यूएस और पीएटी प्रणाली और जांच। यूएस सिस्टम को यूएसपैट डिस्प्ले सॉफ्टवेयर के लिए एक और मॉनिटर के साथ विस्तारित किया गया है, और यह अमेरिकी अधिग्रहण को सिंक्रनाइज़ करने के लिए लेजर ट्रिगर प्राप्त करता है। लेजर बीम को एक प्लेनो-उत्तल लेंस (एल 1) द्वारा विस्तारित किया जाता है, जिसे प्लानो-अवतल लेंस (एल 2) द्वारा संयोजित किया जाता है, बीम स्प्लिटर्स (बीएस) के दो चरणों के साथ चार बीम में विभाजित किया जाता है, और चार प्लानो-उत्तल लेंस (एल 3-6) और फाइबर कपलर्स (एफसी 1-4) के साथ मल्टी-मोड फाइबर (एमएमएफ) में युग्मित किया जाता है। फाइबर एक कस्टम प्रोब शीथ के माध्यम से एंडोकैविटी यूएस जांच से जुड़े होते हैं। दर्पण (एम) का उपयोग आवश्यक होने पर सीमित स्थान में प्रकाश को रीडायरेक्ट करने के लिए किया जाता है। नियंत्रण कंप्यूटर नहीं दिखाया गया है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 2: यूएसपैट नियंत्रण सॉफ्टवेयर का ब्लॉक आरेख। नियंत्रण सॉफ्टवेयर लेजर तरंग दैर्ध्य को बदलकर, नैदानिक अमेरिकी प्रणाली को डेटा अधिग्रहण आदेश भेजकर और डेटा को संसाधित करने और कल्पना करने के लिए डिस्प्ले सॉफ़्टवेयर को संकेत देकर इमेजिंग प्रक्रिया को स्वचालित करता है। नैदानिक यूएस सिस्टम यूएस डिटेक्शन के साथ लेजर उत्तेजना को सिंक्रनाइज़ करने के लिए सीधे लेजर से ट्रिगर प्राप्त करता है। डिस्प्ले सॉफ्टवेयर फ़ाइल सिस्टम से आरएफ डेटा पढ़ता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 3: द्विपक्षीय मल्टीसिस्टिक एडनेक्सल द्रव्यमान के साथ एक 50 वर्षीय प्रीमेनोपॉज़ल महिला कंट्रास्ट-एन्हांस्ड सीटी द्वारा प्रकट की गई। (बी) पीएटी आरएचबीटी मानचित्र अमेरिका पर सुपरइम्पोज किया गया और लाल रंग में दिखाया गया। आरएचबीटी ने 1 सेमी से 5 सेमी की गहराई सीमा में व्यापक फैलाव संवहनी वितरण दिखाया, और स्तर 17.1 (एयू) पर उच्च था। (C) %sO2 वितरण को अमेरिका पर सुपरइम्पोज किया गया। स्तर 46.4% के औसत मूल्य पर कम था। सर्जिकल पैथोलॉजी ने दाएं और बाएं अंडाशय दोनों के अच्छी तरह से विभेदित एंडोमेट्रियोइड एडेनोकार्सिनोमा का खुलासा किया। गहराई को बी-स्कैन छवियों के दाईं ओर चिह्नित किया गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्र 4: द्विपक्षीय सिस्टिक घावों के साथ एक 46 वर्षीय महिला। (ए) अधिकतम व्यास में 4.2 सेमी मापने वाले एक साधारण पुटी के साथ दाहिने अंडाशय का यूएस। (बी) पीएटी आरएचबीटी मानचित्र को सह-पंजीकृत यूएस पर सुपरइम्पोज किया गया है, जिसमें घाव के बाईं ओर 4.8 (ए.यू)के निम्न औसत स्तर के साथ प्रकीर्णन संकेत दिखाई दे रहे हैं। (C) %sO2 मानचित्र ने 67.5% की उच्च %sO2 सामग्री का खुलासा किया। सर्जिकल पैथोलॉजी ने कूपिक अल्सर के साथ एक सामान्य दाहिने अंडाशय का खुलासा किया। गहराई को बी-स्कैन छवियों के दाईं ओर चिह्नित किया गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
पूरक फाइल 1: जांच म्यान। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
ऑप्टिकल रोशनी
उपयोग किए गए फाइबर की संख्या दो कारकों पर आधारित है: प्रकाश रोशनी एकरूपता और प्रणाली जटिलता। गर्म धब्बों से बचने के लिए त्वचा की सतह पर एक समान प्रकाश रोशनी पैटर्न होना महत्वपूर्ण है। फाइबर की न्यूनतम संख्या के साथ सिस्टम को सरल और मजबूत रखना भी महत्वपूर्ण है। चार अलग-अलग तंतुओं का उपयोग पहले कई मिलीमीटर और उससे आगे की गहराई पर समान रोशनी बनाने के लिए इष्टतम दिखाया गया है। इसके अतिरिक्त, चार ऑप्टिकल फाइबर के लिए प्रकाश युग्मन अपेक्षाकृत सरल और मजबूत है, जैसा कि रोगी के अध्ययन के लिए आवश्यक है। हमने पहले दिखाया है कि चार 1 मिमी कोर मल्टी-मोड ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग, ऊतक से लगभग 10 मिमी दूर फाइबर युक्तियों के साथ, अत्यधिक चिंतनशील जांच म्यान (डिजाइन के लिए पूरक फ़ाइल 1 देखें) ट्रांसवेजाइनल फोटोएकोस्टिक इमेजिंग17 के लिए इष्टतम हैं।
USPAT प्रदर्शन सॉफ्टवेयर
हमारे द्वारा उपयोग की जाने वाली नैदानिक अमेरिकी प्रणाली को एकल-तरंग दैर्ध्य पीएटी21 के वास्तविक समय के प्रदर्शन के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है। हालांकि, हमारी विधि को कार्यात्मक मापदंडों की गणना करने के लिए मल्टीस्पेक्ट्रल पीएटी डेटा के कस्टम पोस्ट प्रोसेसिंग की आवश्यकता होती है, इसलिए हमने कार्यात्मक मानचित्रों और मापदंडों की गणना और कल्पना करने के लिए सी ++ में अपने स्वयं के यूएसपैट डिस्प्ले सॉफ्टवेयर को लागू करना चुना। यूएस और पीएटी बी-मोड छवियों की गणना मानक देरी-और-योग बीमफॉर्मिंग, लॉग संपीड़न और गतिशील रेंज का उपयोग करके आरएफ डेटा से की जाती है और फिर एक पंखे के आकार में इंटरपोलेट की जाती है। मल्टीस्पेक्ट्रल पीएटी डेटा से गणना किए गए rHbT और %sO2 नक्शे (चर्चा में बाद में "rHbT और %sO2 की गणना" देखें) सह-पंजीकृत छवि पर या वैकल्पिक रूप से, उपयोगकर्ता-परिभाषित रुचि क्षेत्र (ROI) में प्रदर्शित होते हैं। %sO2 और rHbT का माध्य और अधिकतम संदर्भ के लिए स्क्रीन पर प्रदर्शित किया जाता है. इमेजिंग के दौरान, डिस्प्ले सॉफ्टवेयर का उपयोग सर्वर मोड में ऑनलाइन प्रोसेसिंग और रियल-टाइम विज़ुअलाइज़ेशन के लिए यूएसपैट कंट्रोल सॉफ्टवेयर से टीसीपी / आईपी पर रिमोट प्रोसीजर कॉल (आरपीसी) को सुनने के लिए किया जाता है। इसका उपयोग ऑफ़लाइन प्रसंस्करण और विज़ुअलाइज़ेशन के लिए भी किया जा सकता है।
इमेज प्रोसेसिंग एल्गोरिदम को विशेष ग्राफिक्स हार्डवेयर, जैसे जीपीयू पर सबसे अच्छा लागू किया जाता है, लेकिन इस अध्ययन में, हम एक अनुकूलित सीपीयू कार्यान्वयन के साथ संतोषजनक प्रदर्शन प्राप्त करने में सक्षम थे। सबसे बड़ा प्रदर्शन लाभ स्थानिक डोमेन एल्गोरिदम को उनके आवृत्ति डोमेन समकक्षों के साथ प्रतिस्थापित करने से आया। फास्ट फूरियर ट्रांसफॉर्म का लाभ उठाते हुए, हम स्थानिक फ़िल्टरिंग संचालन की कम्प्यूटेशनल जटिलता में मामूली सुधार कर सकते हैं, जिसमें अक्सर ओ (एन2 ) समय जटिलता होती है, ओ (एन लॉगएन) के लिए, जो व्यवहार में रैखिक समय के बहुत करीब है। इसके अलावा, कच्चे आरएफ डेटा के फ़िल्टरिंग के लिए, हमने ओवरलैप-ऐड विधि18 के साथ तेजी से असतत संक्रामक लागू किया, जो परिमित आवेग प्रतिक्रिया (एफआईआर) फ़िल्टरिंग पर उत्कृष्टता प्राप्त करता है।
rHbT और %sO2 की गणना
मल्टीस्पेक्ट्रल पीएटी डेटा से प्राप्त कार्यात्मक मापदंडों की गणना यूएसपैट डिस्प्ले सॉफ्टवेयर में लागू की जाती है, और कार्यात्मक मापदंडों को स्वचालित रूप से गणना की जाती है और वास्तविक समय में कल्पना की जाती है। संक्षेप में, हमने एक गैर-नकारात्मक रैखिक कम से कम वर्ग समस्या को हल करके प्रत्येक पिक्सेल पर ऑक्सी-हीमोग्लोबिन और डीऑक्सी-हीमोग्लोबिन (सापेक्ष पैमाने, आरएचबीओ और आरएचबीआर) एकाग्रता की गणना की:
जहां जी चार तरंग दैर्ध्य पर माप का प्रतिनिधित्व करता है, एच प्रत्येक तरंग दैर्ध्य पर ऑक्सी-हीमोग्लोबिन और डीऑक्सी-हीमोग्लोबिन के विलुप्त होने के गुणांक के मैट्रिक्स का प्रतिनिधित्व करता है, और एफ आरएचबीओ और आरएचबीआर का प्रतिनिधित्व करता है। rHbT केवल rHbO और rHbR का योग है, और %sO2 की गणना rHbO: rHbT2 के अनुपात से की जा सकती है। इन मापदंडों की गणना यूएसपैट डिस्प्ले सॉफ्टवेयर में लागू की जाती है और पूरी तरह से स्वचालित है। सिस्टम के साथ इस विधि को इंट्रालिपिड समाधान2 में निलंबित कैलिब्रेटेड रक्त ट्यूब फैंटम को मापने के माध्यम से मान्य किया जाता है।
USPAT नियंत्रण सॉफ्टवेयर
यूएसपैट नियंत्रण सॉफ्टवेयर तरंग दैर्ध्य ट्यूनिंग के लिए लेजर, डेटा अधिग्रहण के लिए नैदानिक अमेरिकी प्रणाली और डेटा प्रसंस्करण और विज़ुअलाइज़ेशन के लिए यूएसपैट डिस्प्ले सॉफ्टवेयर के साथ संचार करके यूएसपैट डेटा अधिग्रहण प्रक्रिया को स्वचालित करता है। ग्राफिकल यूजर इंटरफेस (जीयूआई) में गहराई का चयन करने के बाद, सॉफ्टवेयर सही अनुक्रम फ़ाइल लोड करने के लिए यूएस सिस्टम (ईथरनेट केबल के माध्यम से टीसीपी / आईपी पर) को एक कमांड भेजता है। स्कैन बटन सह-पंजीकृत मल्टीस्पेक्ट्रल पीएटी और अमेरिकी डेटा के एक सेट की अधिग्रहण प्रक्रिया शुरू करता है। सबसे पहले, नियंत्रण सॉफ्टवेयर क्रमिक रूप से लेजर तरंग दैर्ध्य (यूएसबी पर) को सबसे कम से उच्चतम तक ट्यून करता है, जबकि यूएस सिस्टम सह-पंजीकृत पीएटी और यूएस फ्रेम प्राप्त करता है। अंत में, नियंत्रण सॉफ्टवेयर यूएस और पीएटी बी-मोड छवियों की गणना करने, कार्यात्मक मानचित्रों का पुनर्निर्माण करने और उन्हें वास्तविक समय में प्रदर्शित करने के लिए यूएसपैट डिस्प्ले सॉफ्टवेयर (टीसीपी / आईपी पर) को ट्रिगर करता है। इसी समय, लेजर को सबसे कम तरंग दैर्ध्य पर वापस ट्यून किया जाता है।
सीमाओं
वर्तमान में, यूएसपैट तकनीक की कई सीमाएं हैं। सबसे पहले, फोटोएकोस्टिक इमेजिंग 4-10 मेगाहर्ट्ज बैंडविड्थ के वाणिज्यिक यूएस ट्रांसड्यूसर के साथ केवल 5 सेमी गहरी तक पहुंच सकती है। इस प्रकार, 5 सेमी से अधिक गहरे अंडाशय के लिए, या जब लक्ष्य पैथोलॉजिकल प्रक्रिया एक बड़े एडनेक्सल द्रव्यमान के भीतर योनि फोर्निक्स से 5 सेमी से अधिक होती है, तो पीएटी सीमित होता है। दूसरा, यूएस ट्रांसड्यूसर के सीमित क्षेत्र को एक औसत प्राप्त करने के लिए कई कोणों पर एक बड़े घाव को स्कैन करने की आवश्यकता होती है जो घाव के आरएचबीटी और % एसओ 2 कंट्रास्ट का अधिक प्रतिनिधि है। तीसरा, सापेक्ष कुल हीमोग्लोबिन एकाग्रता की सूचना दी गई है क्योंकि पीएटी माप स्थानीय समृद्धि वितरण और ऑप्टिकल अवशोषण प्रोफ़ाइल का उत्पाद है। विवो माप से ऑप्टिकल अवशोषण प्रोफ़ाइल का अनुमान लगाना चुनौतीपूर्ण है। हाल ही में, पूर्ण कुल हीमोग्लोबिन एकाग्रता19 के पुनर्निर्माण के लिए तंत्रिका नेटवर्क-आधारित दृष्टिकोणों का पता लगाया गया है, लेकिन इन दृष्टिकोणों को मान्य किया जाना बाकी है। अंत में, मल्टीस्पेक्ट्रल फोटोएकॉस्टिक इमेजिंग की फ्रेम दर उस गति से सीमित है जिस पर लेजर अपनी तरंग दैर्ध्य को ट्यून कर सकता है। लेजर 10 हर्ट्ज पर संचालित होता है और यांत्रिक रूप से ट्यून किया जाता है, और चार तरंग दैर्ध्य के लिए डेटा अधिग्रहण में लगभग 15 सेकंड लगते हैं, इसलिए यह फ्रेम दर में सुधार करने में अड़चन है।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
लेखकों के पास पांडुलिपि में कोई प्रासंगिक वित्तीय हित नहीं हैं और खुलासा करने के लिए हितों का कोई अन्य संभावित टकराव नहीं है।
Acknowledgments
यह काम NCI (R01CA151570, R01CA237664) द्वारा समर्थित था। मैथ्यू पॉवेल के नेतृत्व में पूरे जीवाईएन ऑन्कोलॉजी समूह को रोगियों की भर्ती में मदद करने के लिए धन्यवाद देते हैं, रेडियोलॉजिस्ट डॉ कैरी सीगल, विलियम मिडलटन और मलक इटनाई अमेरिकी अध्ययनों में मदद करने के लिए, और पैथोलॉजिस्ट डॉ इयान हेगमैन डेटा की पैथोलॉजी व्याख्या में मदद करने के लिए। लेखक अध्ययन कार्यक्रमों के समन्वय, अध्ययन के लिए रोगियों की पहचान करने और सूचित सहमति प्राप्त करने में मेगन लूथर और जीवाईएन अध्ययन समन्वयकों के प्रयासों को कृतज्ञतापूर्वक स्वीकार करते हैं।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Clinical US imaging system | Alpinion Medical Systems | EC-12R | Fully programmable clinical US system |
| Dielectric mirror | Thorlabs | BB1-E03 | Used to reflect light along the optical path |
| Endocavity US transducer | Alpinion Medical Systems | EC3-10 | Transvaginal ultrasound probe |
| Laser power meter | Coherent | LabMax TOP | Used to measure laser energy |
| Multi-mode optical fiber | Thorlabs | FP1000ERT | Couple laser light to the endocavity ultrasound probe |
| Non-polarizing beam splitter plate | Thorlabs | BSW11 | For splitting laser beam into sensors to measure energy |
| Plano-concave lens | Thorlabs | LC1715 | For laser beam expansion |
| Plano-convex lens | Thorlabs | LA1484-B | For laser beam collimation |
| Plano-convex lens | Thorlabs | LA1433-B | Used to focus light into four optical fibers |
| Polarizing beam splitter cube | Thorlabs | PBS252 | For splitting laser beam into four beams |
| Protective probe shealth | Custom 3D printed | Hold and protect the four optical fibers at the tip of the ultrasound probe | |
| Right angle prism mirror | Thorlabs | MRA25-E03 | Used to reflect light along the optical path |
| Tunable laser system | Symphotic TII | LS-2145-LT50PC | Light source for multispectral PAT |
| USPAT control software | Custom developed in C++ | Controls acquisition parameters of the ultrasound machine and the laser wavelength | |
| USPAT image display software | Custom developed in C++ | Displays the US/PAT B-scans and sO2/rHbT maps in real time |
References
- 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).
