Ein gemeinsames Ultraschall- und photoakustisches Bildgebungsprotokoll für die transvaginale Bildgebung von Ovarialläsionen
Summary
Wir berichten über ein koregistriertes Ultraschall- und photoakustisches Bildgebungsprotokoll für die transvaginale Bildgebung von Eierstock-/Adnexläsionen. Das Protokoll kann für andere translationale photoakustische Bildgebungsstudien wertvoll sein, insbesondere für solche, die kommerzielle Ultraschall-Arrays für die Detektion photoakustischer Signale und Standard-Delay-and-Sum-Beamforming-Algorithmen für die Bildgebung verwenden.
Abstract
Eierstockkrebs ist nach wie vor die tödlichste aller gynäkologischen Malignome, da es an zuverlässigen Screening-Instrumenten zur Früherkennung und Diagnose mangelt. Die photoakustische Bildgebung oder Tomographie (PAT) ist eine neue Bildgebungsmethode, die die Gesamthämoglobinkonzentration (relative Skala, rHbT) und die Blutsauerstoffsättigung (%sO2) von Eierstock- / Adnexläsionen liefern kann, die wichtige Parameter für die Krebsdiagnose sind. In Kombination mit koregistriertem Ultraschall (US) hat PAT ein großes Potenzial für die Erkennung von Eierstockkrebs und für die genaue Diagnose von Ovarialläsionen für eine effektive Risikobewertung und die Reduzierung unnötiger Operationen von gutartigen Läsionen gezeigt. Unseres Wissens unterscheiden sich die PAT-Bildgebungsprotokolle in klinischen Anwendungen jedoch stark zwischen verschiedenen Studien. Hier berichten wir über ein transvaginales Bildgebungsprotokoll für Eierstockkrebs, das für andere klinische Studien von Vorteil sein kann, insbesondere für solche, die kommerzielle Ultraschall-Arrays zur Erkennung photoakustischer Signale und Standard-Delay-and-Sum-Beamforming-Algorithmen für die Bildgebung verwenden.
Introduction
Die photoakustische Bildgebung oder Tomographie (PAT) ist eine hybride Bildgebungsmodalität, die die optische Absorptionsverteilung bei US-Auflösung und Tiefen weit über die optische Diffusionsgrenze des Gewebes (~ 1 mm) hinaus misst. Bei PAT wird ein Nanosekunden-Laserpuls verwendet, um biologisches Gewebe anzuregen, was aufgrund der optischen Absorption zu einem vorübergehenden Temperaturanstieg führt. Dies führt zu einem anfänglichen Druckanstieg, und die resultierenden photoakustischen Wellen werden von US-Wandlern gemessen. Multispektraler PAT beinhaltet die Verwendung eines durchstimmbaren Lasers oder mehrerer Laser, die bei verschiedenen Wellenlängen arbeiten, um das Gewebe zu beleuchten und so die Rekonstruktion optischer Absorptionskarten bei mehreren Wellenlängen zu ermöglichen. Basierend auf der differentiellen Absorption von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin im Nahinfrarot-Fenster (NIR) kann der multispektrale PAT die Verteilungen der oxygenierten und desoxygenierten Hämoglobinkonzentrationen, der Gesamthämoglobinkonzentration und der Blutsauerstoffsättigung berechnen, die alle funktionelle Biomarker im Zusammenhang mit der Tumorangiogenese und dem Sauerstoffverbrauch des Blutes oder dem Tumorstoffwechsel sind. PAT hat sich in vielen onkologischen Anwendungen als erfolgreich erwiesen, wie z.B. Eierstockkrebs1,2, Brustkrebs 3,4,5, Hautkrebs 6, Schilddrüsenkrebs7,8, Gebärmutterhalskrebs 9, Prostatakrebs 10,11 und Darmkrebs 12.
Eierstockkrebs ist die tödlichste aller gynäkologischen Malignome. Nur 38% der Eierstockkrebserkrankungen werden in einem frühen (lokalisierten oder regionalen) Stadium diagnostiziert, in dem die 5-Jahres-Überlebensrate zwischen 74,2% und 93,1% liegt. Die meisten werden in einem späten Stadium diagnostiziert, für das die 5-Jahres-Überlebensrate 30,8% oder weniger beträgt13. Aktuelle klinische Diagnosemethoden, einschließlich der transvaginalen Sonographie (TUS), des Doppler-US, des Serumkrebsantigens 125 (CA 125) und des humanen Nebenhodenproteins 4 (HE4), haben gezeigt, dass es ihnen an Sensitivität und Spezifität für die frühe Diagnose von Eierstockkrebs mangelt14,15,16. Darüber hinaus kann es schwierig sein, einen großen Teil der gutartigen Ovarialläsionen mit den derzeitigen Bildgebungstechnologien genau zu diagnostizieren, was zu unnötigen Operationen mit erhöhten Gesundheitskosten und chirurgischen Komplikationen führt. Daher sind zusätzliche genaue nicht-invasive Methoden zur Risikostratifizierung von Adnexmassen erforderlich, um das Management und die Ergebnisse zu optimieren. Es ist klar, dass eine Technik erforderlich ist, die empfindlich und spezifisch für Eierstockkrebs im Frühstadium ist und bei der Identifizierung von bösartigen und gutartigen Läsionen genauer ist.
Unsere Gruppe hat ein co-registriertes transvaginales US- und PAT-System (USPAT) für die Diagnose von Eierstockkrebs entwickelt, indem sie ein klinisches US-System, eine maßgeschneiderte Sondenhülle zur Aufnahme der optischen Fasern für die Lichtabgabe und einen abstimmbaren Laser1 kombiniert. Die Gesamthämoglobinkonzentration (relative Skala, rHbT) und die Blutsauerstoffsättigung (%sO2), die aus dem USPAT-System abgeleitet wurden, haben ein großes Potenzial für die Erkennung von Eierstockkrebs im Frühstadium und für die genaue Diagnose von Ovarialläsionen für eine effektive Risikobewertung und die Reduzierung unnötiger Operationen an gutartigen Läsionen gezeigt 1,2. Der aktuelle Schaltplan des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt, und das Steuerblockdiagramm ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Strategie hat das Potenzial, in bestehende TUS-Protokolle für die Diagnose von Eierstockkrebs integriert zu werden und gleichzeitig funktionelle Parameter (rHbT, %sO2) bereitzustellen, um die Sensitivität und Spezifität von TUS zu verbessern.
Protocol
Representative Results
Discussion
Optische Beleuchtung
Die Anzahl der verwendeten Fasern basiert auf zwei Faktoren: der Gleichmäßigkeit der Lichtausleuchtung und der Systemkomplexität. Es ist wichtig, ein gleichmäßiges Lichtausleuchtungsmuster an der Hautoberfläche zu haben, um Hot Spots zu vermeiden. Es ist auch wichtig, das System einfach und robust mit einer minimalen Anzahl von Fasern zu halten. Die Verwendung von vier separaten Fasern hat sich bereits als optimal erwiesen, um eine gleichmäßige Ausleuchtung in Tiefen von m…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom NCI unterstützt (R01CA151570, R01CA237664). Die Autoren danken der gesamten GYN-Onkologie-Gruppe unter der Leitung von Dr. Mathew Powell für die Hilfe bei der Rekrutierung von Patienten, den Radiologen Dr. Cary Siegel, Dr. William Middleton und Dr. Malak Itnai für die Unterstützung bei den US-Studien und dem Pathologen Dr. Ian Hagemann für die Hilfe bei der pathologischen Interpretation der Daten. Die Autoren danken Megan Luther und den Koordinatoren der GYN-Studie bei der Koordination der Studienpläne, der Identifizierung von Patienten für die Studie und der Einholung einer Einverständniserklärung.
Materials
| 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 |
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