Bu protokol, meme görüntüleme için bir mikrodalga görüntüleme cihazının görüntüleme prosedürünü açıklar.
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.
Yöntem makalesi
Bu protokol, meme görüntüleme için bir mikrodalga görüntüleme cihazının görüntüleme prosedürünü açıklar.
Meme kanseri kadınlar arasında en sık görülen malignitedir ve erken teşhis ve tedavi, klinik sonuçların iyileştirilmesi açısından kritik öneme sahiptir. X-ışını mamografisi standart tarama yöntemi olmaya devam etmektedir; Bununla birlikte, radyasyona maruz kalma, hasta rahatsızlığı ve yoğun meme dokusuna sahip kadınlarda hassasiyetin azalması gibi çeşitli sınırlamaları vardır. İyonlaştırıcı olmayan bir teknik olan mikrodalga görüntüleme umut verici bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Ters saçılma problemini çözerek meme dokusu yapılarını yeniden yapılandıran bir cihaz geliştirdik ve şu anda klinik denemeleri devam ediyor. Bu sistem, kontrast madde kullanılmadan ve muayene sırasında ağrıya neden olmadan üç boyutlu tomografik görüntüler üretir. Bugüne kadar 24 meme kanseri hastası, çapı 1 cm'≥ tümörler için %86, 1 cm'< tümörler dahil edildiğinde %58 doğrulukla görüntülendi. Bu makalede, seçilen hastalardan alınan temsili görüntüleme sonuçlarıyla birlikte cihaz hazırlama, klinik görüntüleme ve veri işleme için ayrıntılı bir protokol sunuyoruz.
Meme kanseri, Japonya'da yılda yaklaşık 95.000 yeni vakanın teşhis edilmesiyle kadınlar arasında en sık görülen malignitedir1. Erken teşhis ve tedavi, hasta sonuçlarını iyileştirmek için çok önemlidir.
X-ışını mamografisi şu anda standart tarama aracıdır. Ancak yoğun meme dokusuna sahip kadınlarda duyarlılığı sınırlıdır, bu da küçük tümör tespitini zorlaştırır2. Bu sınırlamayı gidermek için, ultrason genellikle yardımcı bir tanı yöntemi olarak kullanılır. Ultrason muayeneleri yüksek düzeyde operatör becerisi gerektirir ve tek başına mamografi veya ultrasonun tanısal doğruluğu yaklaşık %60'tır. Kontrastlı manyetik rezonans görüntüleme (MRI) %90'ı aşan doğruluk sağlar; yine de, yüksek ekipman ve tetkik maliyetleri nedeniyle, MRG rutin tarama için uygun değildir ve esas olarak cerrahi karar verme ve tedavi planlaması için ayrılmıştır3.
Son zamanlarda, mikrodalga görüntüleme, mamografi ve ultrasonun sınırlamalarının üstesinden gelebilecek potansiyel bir alternatif olarak artan bir ilgi görmektedir4. Mikrodalga radyasyonu biyolojik doku ile etkileşime girdiğinde, dielektrik sınırlarda güçlü yansımalar meydana gelir. Yansıtıcılık, X-ışınları veya ultrasondan çok daha yüksektir ve küçük lezyonların tespit edilmesini sağlar. Mikrodalga görüntüleme kullanılarak meme kanseri tespitine ilişkin araştırmalar 25 yılı aşkın bir süredir devam etmektedir ve çeşitli klinik çalışmalar bildirilmiştir5.
Mikrodalga görüntüleme genel olarak iki kategoriye ayrılabilir: saçılan gücün dağılımını yeniden yapılandıran konfokal görüntüleme ve karmaşık geçirgenliğin (dielektrik sabiti ve elektriksel iletkenlik) dağılımını yeniden yapılandıran saçılma tomografisi 6,7. Konfokal görüntüleme kavramsal olarak ultrason teşhisine benzer; Bununla birlikte, doku içindeki çoklu yansımalar nedeniyle, iç yapılar doğru bir şekilde yeniden yapılandırılamaz. Buna karşılık, saçılma tomografisi, birden fazla yansımanın varlığında bile doğru rekonstrüksiyonlar sağlar ancak elektromanyetik saçılmanın hassas sayısal modellemesini gerektirir. Mevcut hesaplamalı elektromanyetik teknikler, bu fenomenleri tam olarak kopyalamada hala zorluklarla karşı karşıyadır. Bu nedenle, ölçülen verileri sayısal modellerle uyumlu hale getiren kalibrasyon, pratik uygulama için kritik öneme sahiptir8. Ayrıca, lezyon yanıtları cilt yansımasının9 1/1000'inden daha az olduğundan, mükemmel sinyal-gürültü performansına sahip son derece hassas antenler ve alıcılar vazgeçilmezdir.
Sistemimiz, yinelemeli bir çarpık Born yaklaşımı (IDBA)10 kullanarak ters saçılma problemini çözmek için yenilikçi yaklaşımlar sunarak bu zorlukları ele almaktadır. Çift polarize dielektrik yüklü boynuz anten11, iki homojen hayalet12 kullanan bir kalibrasyon yöntemi, emme13 yoluyla sensöre meme fiksasyonu, çok polarize dalga uyarımı14 ve doku geçirgenliği ile iletkenlik15 arasındaki doğrusal ilişkinin kullanılması dahil olmak üzere birçok önemli teknoloji geliştirilmiştir. Bu teknolojileri içeren bir prototip cihaz Eylül 2023'te tamamlandı ve klinik denemeler Kasım 2023'te başladı.
Mikrodalga görüntüleme kapsamlı bir şekilde araştırılmış olmasına rağmen, hastalar arasında tekrarlanabilir veri toplamayı, sağlam kalibrasyonu ve stabil görüntü rekonstrüksiyonunu garanti eden yaygın olarak kabul edilen bir klinik protokol hala yoktur. Böyle bir protokolün oluşturulması, mikrodalga görüntülemenin deneysel araştırmalardan pratik klinik uygulamaya çevrilmesi için gereklidir. Bu çalışmada sunulan, aspirasyona dayalı meme fiksasyonu, çift fantom kalibrasyonu ve çok polarize dalga uyarımını içeren protokol, bu gereksinimleri karşılar ve mikrodalga tomografinin güvenilir klinik değerlendirmesi için standart bir çerçeve sağlar.
Şekil 1A , mikrodalga görüntüleme16 ilkesini göstermektedir. Memenin etrafına birden fazla anten yerleştirilmiştir, bir anten iletirken diğerleri dağınık dalgalar alır. Bir vektör ağ analizörü (VNA) hem verici hem de alıcı olarak işlev görür. Yalnızca tek bir bağlantı noktası mevcutsa, iletim ve alım sırayla değiştirilir ve olası tüm anten çiftleri için dağınık sinyaller elde edilir. Toplanan veriler daha sonra memenin tomografik görüntülerini yeniden oluşturmak için kullanılır.
Prototipin donanım konfigürasyonu Tablo 1'de özetlenmiş ve Şekil 1B'de gösterilmiş, prototipin dış görünümü ise Şekil 2A'da sunulmuştur. Cihaz, meme için seramik bir kap, kaba bağlı 16 anten, verici ve alıcı antenleri seçmek için bir anten anahtarı, anten çiftleri arasındaki iletim özelliklerini ölçmek için bir VNA, ölçüm yazılımına sahip bir dizüstü bilgisayar, dizüstü bilgisayarı ve anten anahtarını koordine etmek için bir kontrol ünitesi ve aspirasyona dayalı meme fiksasyonu için bir aspiratörden oluşur (Şekil 2C).
Antenleri takılı seramik kap (görüntüleme sensörü olarak anılır, Şekil 2B) ve anten anahtarı, cihazın ana gövdesine yerleştirilmiştir. 16 fiziksel anten olmasına rağmen, bunlardan 12'si çift polarizedir ve bu da 28'lik bir etkin anten sayısıyla sonuçlanır. Cihaz yatağın yanına yerleştirilir ve hasta yüzüstü yatar ve göğsünü görüntüleme sensörüne yerleştirir (Şekil 1C). Vücut hareketinin neden olduğu görüntüleme artefaktlarını en aza indirmek için meme, aspiratör kullanılarak sensöre emilerek sabitlenir.
Ölçüm sırasında bir verici anten seçilir ve -5 dBm çıkış gücüne sahip 1,9 GHz'deki mikrodalgalar memeye ışınlanır. Saçılma parametreleri (S-parametreleri), verici ve alıcı antenler sırayla değiştirilirken VNA tarafından ölçülür ve veriler dizüstü bilgisayara kaydedilir. Bu işlem tüm anten kombinasyonları için tekrarlanır. Bir memenin alınması yaklaşık 14 dakika sürer. Nispeten uzun ölçüm süresi, seri alım sürecinden ve iletişim hatalarını önlemek için uygulanan ek bekleme aralıklarından kaynaklanmaktadır. Ölçüm süresi hastalar arasında tutarlıdır.
Kaydedilen ölçüm dosyaları, görüntü rekonstrüksiyonu için özel bir iş istasyonuna aktarılır. Çekirdek kontrol programı, Şekil 3 17,18'de gösterildiği gibi, veri işlemeyi koordine eden ve elektromanyetik alan simülatörü FEMTET ve sayısal analiz platformu MATLAB ile arayüzler oluşturan Excel VBA'da uygulanmaktadır. Tek bir meme görüntüsünün yeniden yapılandırılması, Intel Core i7-7K CPU ve 14700 GB RAM ile donatılmış bir iş istasyonunda yaklaşık 96 saat gerektirir. Yeniden yapılandırma algoritması IDBA10'a dayandığından, büyük ölçekli üç boyutlu tam dalga elektromanyetik simülasyonların tekrar tekrar yürütülmesi gerekir. Her ileri elektromanyetik alan analizi yaklaşık 10 dakika gerektirir ve hesaplanan alan dağılımının FEMMET'ten alınması ek 30 dakika sürer. Bu döngü, yeniden yapılandırma başına on kez tekrarlanır ve yaklaşık 400 dakikalık bir kümülatif işlem süresi sağlar.
Yazılım ortamı Tablo 2'de özetlenmiştir. Dizüstü bilgisayar, anten anahtarı için VNA ve kontrol ünitesi ile iletişimi yönetmek için Analizör Kontrol programı ile yapılandırılmıştır. Donanım bağlantısı, güvenilir komut aktarımı sağlamak için bir dijital giriş/çıkış (DIO) arabirimi ve genel amaçlı bir arabirim veri yolu (GPIB)-USB dönüştürme kablosu gerektirir. Diğer tüm yeniden yapılandırma programları, Microsoft Excel, FEMMET ve MATLAB'ı desteklemesi gereken iş istasyonuna yüklenir. FEMMET, Maxwell'in görüntüleme alanındaki denklemlerini sonlu elemanlar yöntemiyle çözmek için kullanılırken, MATLAB, IDBA'nın tersine çevrilmesi için gerekli sayısal rutinleri yürütür.
Ölçülen saçılma verilerini sayısal ileri modelle hizalamak için sıkı bir kalibrasyon prosedürü gereklidir. Kalibrasyon, dokuyu taklit eden ortama yaklaşmak için tasarlanmış iki homojen dielektrik fantom (Şekil 2D) kullanılarak gerçekleştirilir. 1.9 GHz'de, fantom 1, 6.65'lik bir bağıl geçirgenlik ve 0.438'lik bir dielektrik kayıp tanjantı sergilerken, fantom 2'nin bağıl geçirgenliği 4.66 ve kayıp tanjantı 0.289'dur. Ölçülen ve simüle edilen S parametreleri arasındaki sistematik tutarsızlıkları telafi eden düzeltme katsayılarını içeren bir kalibrasyon dosyası olan cal_2314_94_ver2.mat önceden oluşturulmuştur. Bu katsayılar, fantomların iletim özelliklerinin FEMTET tabanlı simülasyonlarından türetilir ve prototip12 ile elde edilen deneysel ölçümlerle çapraz doğrulanır. Bu kalibrasyon, sayısal modelleme ile deneysel veriler arasında tutarlılık sağlayarak yinelemeli yeniden yapılandırma sürecinin yakınsamasını dengeler.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Tüm klinik prosedürler Aichi Tıp Üniversitesi Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylanmıştır (Spesifik Klinik Araştırma Sertifika Numarası: CRB4200004).
1. Cihaz kurulumu
2. Başlangıç parametrelerinin girilmesi
3. Vektör Ağ Analizörünün (VNA) Kalibrasyonu
4. Görüntüleme prosedürü
5. Görüntü rekonstrüksiyonu
için bir .mat dosyası oluşturmak için düzenleyicideki düğmeye tıklayın (Şekil 8B).
.
(Şekil 9B).Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Üç temsili hastanın görüntüleme sonuçları aşağıda sunulmuştur:
Hasta 1
Sol memenin saat 2 pozisyonunda 34 mm × 21 mm kanser hastası 78 yaşında kadın hasta. Meme bezleri ağırlıklı olarak yağlıdır. Şekil 10A ve Şekil 10B, X-ışını mamografi görüntülerini gösterirken, Şekil 10C-F, prototip ile elde edilen görüntüleme sonuç...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Bu bağlamda kalibrasyonun iki farklı anlamı vardır. İlk olarak, sonuçların sayısal modellere doğru bir şekilde dahil edilebilmesi için ölçülen saçılma verilerinin düzeltilmesini ifade eder. İkincisi, vektör ağ analizörünün (VNA) kendisinin kalibrasyonunu ifade eder.
Herhangi bir kalibrasyon veya ölçümden önce, VNA en az 15 dakika önceden açılmalı ve elektronik kalibrasyon modülündeki HAZIR göstergesi yeşil olmalıdır. Tüm cihaz bağlantıları doğ...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yazarlar, bu çalışmayla ilgili herhangi bir şirketle ticari veya mali ilişki beyan etmezler.
Bu çalışma, Japonya Bilim ve Teknoloji Araştırma Bursu, 24K10872 desteği ile gerçekleştirilmiştir. Bu araştırma, JSPS KAKENHI ve Japonya Tıbbi Araştırma ve Geliştirme Ajansı'nın (AMED) hibeleriyle desteklenmiştir. Yazarlar bu makalede açıklanan teknolojiyle ilgili patent başvurularında bulunmuşlardır.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Aspiratör | TEK KİMİ | DAS-01 | |
| dijital IO | Ulusal Enstrümanlar | USB6501 | |
| Elekreonik Kalibrasyon Modülü | Çevik | 85093C | Üretimi durduruldu. 85093D ile değiştirin. |
| Elektromanyetik simülatör | Murata Software | FEMTET | |
| Excel VBA | Microsoft | Ofis | |
| GPIB USB Dönüşüm Kablosu | Ulusal Enstrümanlar | GPIB-USB-HS | |
| Sayısal Yazılım | Mathworks | Matlab | |
| VNA | Keysight | E5071C |
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.