Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Yumurtalık Lezyonlarının Transvajinal Görüntülenmesi için Kolikasyonlu Ultrason ve Fotoakustik Görüntüleme Protokolü

2.7K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/64864

⸱

3 Mart 2023

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

Bu makalede

Özet

Bu yazıda over / adneksiyal lezyonların transvajinal görüntülemesi için kokayıtlı ultrason ve fotoakustik görüntüleme protokolü sunulmuştur. Protokol, diğer translasyonel fotoakustik görüntüleme çalışmaları, özellikle fotoakustik sinyallerin tespiti için ticari ultrason dizileri ve görüntüleme için standart gecikme ve toplam hüzmeleme algoritmaları kullananlar için değerli olabilir.

Özet

Yumurtalık kanseri, erken teşhis ve tanı için güvenilir tarama araçlarının bulunmaması nedeniyle tüm jinekolojik malignitelerin en ölümcül olanı olmaya devam etmektedir. Fotoakustik görüntüleme veya tomografi (PAT), kanser tanısında önemli parametreler olan yumurtalık/adneksiyal lezyonların toplam hemoglobin konsantrasyonunu (nispi ölçek, rHbT) ve kan oksijen satürasyonunu (%sO2) sağlayabilen yeni bir görüntüleme yöntemidir. Kokayıtlı ultrason (US) ile kombine edildiğinde PAT, yumurtalık kanserlerini tespit etmek ve etkili risk değerlendirmesi ve benign lezyonların gereksiz ameliyatlarının azaltılması için yumurtalık lezyonlarını doğru bir şekilde teşhis etmek için büyük potansiyel göstermiştir. Bununla birlikte, klinik uygulamalarda PAT görüntüleme protokolleri, bildiğimiz kadarıyla, farklı çalışmalar arasında büyük ölçüde farklılık göstermektedir. Burada, diğer klinik çalışmalara, özellikle fotoakustik sinyallerin tespiti için ticari ultrason dizileri ve görüntüleme için standart gecikme ve toplam hüzmeleme algoritmaları kullananlara faydalı olabilecek bir transvajinal yumurtalık kanseri görüntüleme protokolü sunuyoruz.

Giriş

Fotoakustik görüntüleme veya tomografi (PAT), ABD çözünürlüğünde ve doku optik difüzyon sınırının (~ 1 mm) çok ötesindeki derinliklerde optik absorpsiyon dağılımını ölçen hibrit bir görüntüleme yöntemidir. PAT'ta, biyolojik dokuyu uyarmak için nanosaniyelik bir lazer darbesi kullanılır ve optik emilim nedeniyle geçici bir sıcaklık artışına neden olur. Bu, başlangıçta basınç artışına yol açar ve ortaya çıkan fotoakustik dalgalar ABD dönüştürücüleri tarafından ölçülür. Multispektral PAT, dokuyu aydınlatmak için ayarlanabilir bir lazerin veya farklı dalga boylarında çalışan çoklu lazerlerin kullanılmasını içerir, böylece optik absorpsiyon haritalarının çoklu dalga boylarında yeniden yapılandırılmasını sağlar. Yakın kızılötesi (NIR) penceresinde oksijenli ve deoksijenli hemoglobinin diferansiyel emilimine dayanarak, multispektral PAT, tümör anjiyogenezi ve kan oksijenasyon tüketimi veya tümör metabolizması ile ilgili fonksiyonel biyobelirteçler olan oksijenli ve deoksijenli hemoglobin konsantrasyonlarının, toplam hemoglobin konsantrasyonunun ve kan oksijen doygunluğunun dağılımlarını hesaplayabilir. PAT, yumurtalık kanseri 1,2, meme kanseri 3,4,5, cilt kanseri 6, tiroid kanseri 7,8, rahim ağzı kanseri9, prostat kanseri 10,11 ve kolorektal kanser12 gibi birçok onkoloji uygulamasında başarı göstermiştir.

Yumurtalık kanseri tüm jinekolojik malignitelerin en ölümcül olanıdır. Yumurtalık kanserlerinin sadece% 38'i erken (lokalize veya bölgesel) bir aşamada teşhis edilir, burada 5 yıllık sağkalım oranı% 74.2 ila% 93.1'dir. Çoğu, 5 yıllık sağkalım oranının% 30.8 veya daha az13 olduğu geç bir aşamada teşhis edilir. Transvajinal ultrasonografi (TUS), Doppler US, serum kanser antijeni 125 (CA 125) ve insan epididim protein 4 (HE4) dahil olmak üzere güncel klinik tanı yöntemlerinin erken over kanseri tanısı için duyarlılık ve özgüllükten yoksun olduğu gösterilmiştir14,15,16. Ek olarak, iyi huylu over lezyonlarının büyük bir kısmının mevcut görüntüleme teknolojileri ile doğru bir şekilde teşhis edilmesi zor olabilir, bu da artan sağlık maliyetleri ve cerrahi komplikasyonlarla gereksiz ameliyatlara yol açmaktadır. Bu nedenle, yönetimi ve sonuçları optimize etmek için adneksiyal kitlelerin risk tabakalaşması için ek doğru non-invaziv yöntemlere ihtiyaç vardır. Açıkçası, erken evre yumurtalık kanserine duyarlı ve spesifik olan ve benign lezyonlardan malign tanımlamada daha doğru bir tekniğe ihtiyaç vardır.

Grubumuz, klinik bir ABD sistemini, ışık dağıtımı için optik fiberleri barındırmak için özel yapım bir prob kılıfını ve ayarlanabilir bir lazer1'i birleştirerek yumurtalık kanseri tanısı için ortak kayıtlı bir transvajinal US ve PAT sistemi (USPAT) geliştirmiştir. USPAT sisteminden türetilen toplam hemoglobin konsantrasyonu (nispi ölçek, rHbT) ve kan oksijen satürasyonu (%sO2), erken evre yumurtalık kanserlerinin tespiti ve etkili risk değerlendirmesi ve gereksiz benign lezyon ameliyatlarının azaltılması için yumurtalık lezyonlarının doğru teşhisi için büyük potansiyel göstermiştir 1,2. Geçerli sistem şeması Şekil 1'de, kontrol bloğu diyagramı ise Şekil 2'de gösterilmiştir. Bu strateji, yumurtalık kanseri tanısı için mevcut TUS protokollerine entegre edilme potansiyeline sahipken, TUS'un duyarlılığını ve özgüllüğünü artırmak için fonksiyonel parametreler (rHbT, %sO2) sağlamaktadır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Yapılan tüm araştırmalar Washington Üniversitesi Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylanmıştır.

1. Sistem konfigürasyonu: Optik aydınlatma (Şekil 1)

  1. 10 Hz'de darbeli, ayarlanabilir (690-890 nm) Ti-safir lazer pompalayan bir Nd:YAG lazer kullanın.
  2. Önce ışını plano-içbükey bir lensle ayırarak ve ardından ışını bir plano-dışbükey lensle harmanlayarak lazer ışınını genişletin. Kirişi bir kiriş ayırıcıya yönlendirmek için iki ayna kullanın (aşağıda açıklanmıştır).
  3. Genişletilmiş lazer ışınını, orijinal ışını polarize edici bir ışın ayırıcı ile ikiye bölerek ve ardından iki ışını iki ikinci aşama ışın ayırıcı ile bölerek eşit enerjiye sahip dört ışına bölün.
  4. Dört adet çok modlu optik fiberi fiber aynalarla bağlayın.
  5. Dört lazer ışınını dört fibere odaklamak için dört plano-dışbükey lens kullanın.
  6. Lazer güvenliği hususları nedeniyle, optik yolun açığa çıkmadığından emin olmak için tüm optik bileşenleri metal bir kutunun altına koyun.
  7. Dört lifin diğer uçlarını transvajinal ultrason probuna takın ve probu ve lifleri koruyucu bir kılıf içine alın.
    NOT: Dönüştürücünün kılıfı ve akustik penceresi, aydınlatma homojenliğini artırmak için oldukça yansıtıcı beyaz boya ile kaplanmıştır. Işık dağıtımı için dört lifin kullanımını da içeren bu kurulumun daha önce transvajinal uygulamalar için en uygun olduğu gösterilmiştir17. Daha fazla bilgi için tartışmaya bakın.

2. Sistem yapılandırması: Ultrasonik algılama ve tarama şeması

  1. Programlanabilir bir klinik ABD sistemi kullanın.
    NOT: Programlanabilir bir sistem, ham ultrason verilerine erişilebileceği ve özel veri toplama protokollerinin ve işleme algoritmalarının programlanabileceği anlamına gelir.
  2. rHbT, %sO2 haritaları ve diğer işlevsel parametrelerin gerçek zamanlı görselleştirilmesi için USPAT ekran yazılımını çalıştırmak üzere ABD sistemine ek bir monitör bağlayın.
  3. Lazerin dahili tetiğini ABD sisteminin dış tetiğine bağlayın.
  4. Birlikte kayıtlı mod sırasında zaman bölmeli çoklama yaklaşımı kullanın; Özellikle, her dalga boyu için, sırayla beş ardışık PAT çerçevesi ve bir ortak kayıtlı ABD çerçevesi elde edin. Sinyal-gürültü oranını artırmak için PAT karelerinin ortalamasını alın. Dört dalga boyu için toplam veri toplama süresi yaklaşık 15 s'dir.

3. Sistem kalibrasyonu

  1. Lazer pompası enerjisini sabit bir seviyeye ayarlayın.
  2. Her dalga boyu için (750 nm, 780 nm, 800 nm ve 830 nm), seçilen her dalga boyunda hesaplanan enerji yoğunluğunun Tablo 1'de verilen beklenen değerde olduğundan emin olmak için her fiber ucundaki darbe başına enerji çıkışını kontrol edin.
  3. Enerji çıkışı beklenenden düşükse, ayna ve ışın ayırıcı açılarını ayarlayarak optik hizalamada ince ayar yapın. Bu adım her zaman gerekli değildir.
  4. Enerji tatmin edici olana kadar 3.2-3.4 arasındaki adımları yineleyin.
  5. Dört fiberin enerji çıkışını her dalga boyunda kaydedin ve USPAT ekran yazılımındaki değerleri girin.
    NOT: Bu değerler, rHbT'nin hesaplanmasını kalibre etmek için kullanılır. Lazer enerjisi zamanla dalgalanır ve kalibrasyon, multispektral PAT verilerinden hesaplanan nicel parametrelerin mümkün olduğunca doğru olmasını sağlar.

4. Örnek bir deneysel prosedür: İnsan yumurtalıklarının transvajinal USPAT görüntülemesi

  1. USPAT görüntüleme sisteminin hazırlanması
    1. Endokavite US probunu ve kapak kılıfını kurumdaki standart ultrason probu temizleme protokolü ile dezenfekte edin.
    2. Klinik ABD sistemini açın, ABD sistem yazılımını başlatın ve doğru ABD dönüştürücüsünü seçin.
    3. Lazer sistemini adım 3'teki gibi kalibre edin.
    4. Her dalga boyu için toplam darbe enerjisini USPAT ekran yazılımına girin.
    5. USPAT probunu, lifleri ve probu prob kılıfının içine kapatarak monte edin.
  2. Hastanın hazırlanması
    1. Bilgilendirilmiş onam almak ve hastayı hazırlamak için kuruma özgü protokolü takip edin.
  3. Görüntüleme
    1. Pulse-echo US kullanarak hedef yumurtalık bulun.
      NOT: Bu adım, derinlik, dinamik aralık ve TGC gibi klinik ABD makinesindeki görüntüleme parametrelerini ayarlamakta özgür olan çalışma doktoru tarafından yapılır.
    2. USPAT kontrol yazılımında istediğiniz derinliği seçin.
    3. Ortak kayıtlı USPAT B modu veri toplamayı başlatmak için kontrol yazılımında Tara'yı tıklatın. Birlikte kayıtlı ABD ve PAT B modu görüntülerini ve yeniden yapılandırılmış işlevsel haritaları gerçek zamanlı olarak incelemek için USPAT görüntü görüntüleme yazılımını izleyin.
    4. Daha fazla görüntü elde etmek ve (gerekirse) ikinci lezyonu görüntülemek için 4.3.1-4.3.3 adımlarını tekrarlayın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Burada, USPAT tarafından görüntülenen malign ve normal over lezyonlarının örneklerini gösteriyoruz. Şekil 3'te , kontrastlı BT ile ortaya çıkan bilateral multikistik adneksiyal kitleleri olan 50 yaşında premenopozal bir kadın görülmektedir. Şekil 3A , sol adneksin ABD görüntüsünü ve ROI'nin kistik lezyon içindeki şüpheli solid nodülü işaretlediğini göstermektedir. Şekil 3B, ABD'nin üzerine bindirilmiş ve kırmızı renkle gösterilen PA...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Optik aydınlatma
Kullanılan elyaf sayısı iki faktöre dayanır: ışık aydınlatma homojenliği ve sistem karmaşıklığı. Sıcak noktalardan kaçınmak için cilt yüzeyinde düzgün bir ışık aydınlatma desenine sahip olmak çok önemlidir. Sistemi minimum sayıda fiber ile basit ve sağlam tutmak da önemlidir. Dört ayrı elyafın kullanılmasının, birkaç milimetre ve ötesindeki derinliklerde düzgün aydınlatma oluşturmak için en uygun olduğu daha önce gösterilmiştir. Ek olarak, dört optik fibere ışık bağlantısı, hasta çalı...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların makalede ilgili hiçbir finansal çıkarları yoktur ve açıklanacak başka potansiyel çıkar çatışmaları yoktur.

Teşekkürler

Bu çalışma NCI (R01CA151570, R01CA237664) tarafından desteklenmiştir. Yazarlar, Dr. Mathew Powell liderliğindeki tüm GYN onkoloji grubuna, hastaları işe almaya yardımcı oldukları için, radyologlar Dr. Cary Siegel, William Middleton ve Malak Itnai'ye ABD çalışmalarına yardımcı oldukları için ve patolog Dr. Ian Hagemann'a verilerin patoloji yorumuna yardımcı oldukları için teşekkür eder. Yazarlar, Megan Luther ve GYN çalışma koordinatörlerinin çalışma programlarını koordine etme, çalışma için hastaları belirleme ve bilgilendirilmiş onam alma çabalarını minnetle kabul etmektedir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Klinik ABD görüntüleme sistemiAlpinion Medical SystemsEC-12RTamamen programlanabilir klinik ABD sistemi
Dielektrik aynaThorlabsBB1-E03Optik yol boyunca ışığı yansıtmak için kullanılır
Endokavite US dönüştürücüAlpinion Medical SystemsEC3-10Transvajinal ultrason probu
Lazer güç ölçerTutarlıLabMax TOPKullanılmış lazer enerjisini ölçmek için
Çok modlu fiber optikThorlabsFP1000ERTLazer ışığını iç boşluk ultrason probuna bağlayın
Polarize olmayan ışın ayırıcı plakaThorlabsBSW11Enerjiyi ölçmek için lazer ışınını sensörlere bölmek için
Plano-içbükey lensThorlabsLC1715Lazer ışını genişletme için
Plano-dışbükey lens ThorlabsLA1484-BLazer ışını kolimasyonu için
Plano-dışbükey lens ThorlabsLA1433-BIşığı dört optik fibere odaklamak için kullanılır
Polarize ışın ayırıcı küpThorlabsPBS252Lazer ışınını dört ışına bölmek için
Koruyucu prob sağlığıÖzel 3D baskılıUltrason probunun ucundaki dört optik fiberi tutun ve koruyun
Dik açılı prizma aynasıThorlabsMRA25-E03Optik yol boyunca ışığı yansıtmak için kullanılır
Ayarlanabilir lazer sistemiSymphotic TIILS-2145-LT50PCMultispektral PAT için ışık kaynağı
USPAT kontrol yazılımıC++Ultrason makinesinin ve lazer dalga boyunun toplama parametrelerini kontrol eder
USPAT görüntü görüntüleme yazılımıC++geliştirildiUS/PAT B-taramalarını ve sO2/rHbT haritalarını gerçek olarak görüntüler Saat
'da özel olarak geliştirildi 'da özel olarak

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Ultrason G r nt lemeHemoglobin KonsantrasyonuKan Oksijen Sat rasyonuKorejistre G r nt lemeOver Kanseri TespitiKlinik Ultrason SistemiFonksiyonel G r nt leme
Yumurtalık Lezyonlarının Transvajinal Görüntülenmesi için Kolikasyonlu Ultrason ve Fotoakustik Görüntüleme Protokolü
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.