Protocole d’échographie et d’imagerie photoacoustique coenregistré pour l’imagerie transvaginale des lésions ovariennes
Summary
Nous rapportons un protocole d’échographie et d’imagerie photoacoustique coenregistré pour l’imagerie transvaginale des lésions ovariennes / annexielles. Le protocole peut être utile pour d’autres études d’imagerie photoacoustique translationnelle, en particulier celles utilisant des réseaux d’ultrasons commerciaux pour la détection de signaux photoacoustiques et des algorithmes standard de formation de faisceau de retard et de somme pour l’imagerie.
Abstract
Le cancer de l’ovaire reste le plus mortel de toutes les tumeurs malignes gynécologiques en raison du manque d’outils de dépistage fiables pour la détection et le diagnostic précoces. L’imagerie photoacoustique ou tomographie (PAT) est une modalité d’imagerie émergente qui peut fournir la concentration totale d’hémoglobine (échelle relative, rHbT) et la saturation en oxygène du sang (%sO2) des lésions ovariennes / annexielles, qui sont des paramètres importants pour le diagnostic du cancer. Combinée à l’échographie coenregistrée (US), la PAT a démontré un grand potentiel pour détecter les cancers de l’ovaire et pour diagnostiquer avec précision les lésions ovariennes pour une évaluation efficace des risques et la réduction des chirurgies inutiles des lésions bénignes. Cependant, les protocoles d’imagerie PAT dans les applications cliniques, à notre connaissance, varient considérablement d’une étude à l’autre. Ici, nous rapportons un protocole d’imagerie du cancer de l’ovaire transvaginal qui peut être bénéfique pour d’autres études cliniques, en particulier celles utilisant des réseaux d’ultrasons commerciaux pour la détection de signaux photoacoustiques et des algorithmes standard de formation de faisceau de retard et de somme pour l’imagerie.
Introduction
L’imagerie photoacoustique ou tomographie (PAT) est une modalité d’imagerie hybride qui mesure la distribution d’absorption optique à la résolution américaine et à des profondeurs bien au-delà de la limite de diffusion optique tissulaire (~ 1 mm). Dans la PAT, une impulsion laser nanoseconde est utilisée pour exciter les tissus biologiques, provoquant une augmentation transitoire de la température due à l’absorption optique. Cela conduit à une augmentation de pression initiale, et les ondes photoacoustiques résultantes sont mesurées par des transducteurs américains. Le PAT multispectral implique l’utilisation d’un laser accordable ou de plusieurs lasers fonctionnant à différentes longueurs d’onde pour éclairer le tissu, permettant ainsi la reconstruction de cartes d’absorption optique à plusieurs longueurs d’onde. Sur la base de l’absorption différentielle de l’hémoglobine oxygénée et désoxygénée dans la fenêtre proche infrarouge (NIR), la PAT multispectrale peut calculer les distributions des concentrations d’hémoglobine oxygénée et désoxygénée, la concentration totale d’hémoglobine et la saturation en oxygène du sang, qui sont tous des biomarqueurs fonctionnels liés à l’angiogenèse tumorale et à la consommation d’oxygénation sanguine ou au métabolisme tumoral. PAT a démontré son succès dans de nombreuses applications en oncologie, telles que le cancer de l’ovaire1,2, le cancer du sein 3,4,5, le cancer de la peau6, le cancer de la thyroïde7,8, le cancer du col de l’utérus 9, le cancer de la prostate 10,11 et le cancer colorectal 12.
Le cancer de l’ovaire est la plus mortelle de toutes les tumeurs malignes gynécologiques. Seulement 38 % des cancers de l’ovaire sont diagnostiqués à un stade précoce (localisé ou régional), où le taux de survie à 5 ans est de 74,2 % à 93,1 %. La plupart sont diagnostiqués à un stade tardif, pour lequel le taux de survie à 5 ans est de 30,8% ou moins13. Les méthodes actuelles de diagnostic clinique, y compris l’échographie transvaginale (TU), les soins Doppler US, l’antigène 125 du cancer sérique (CA 125) et la protéine 4 de l’épididyme humain (HE4), manquent de sensibilité et de spécificité pour le diagnostic précoce du cancer de l’ovaire14,15,16. De plus, une grande partie des lésions ovariennes bénignes peuvent être difficiles à diagnostiquer avec précision avec les technologies d’imagerie actuelles, ce qui entraîne des chirurgies inutiles avec des coûts de soins de santé accrus et des complications chirurgicales. Ainsi, d’autres méthodes non invasives précises pour la stratification du risque des masses annexielles sont nécessaires pour optimiser la prise en charge et les résultats. De toute évidence, une technique sensible et spécifique au cancer de l’ovaire à un stade précoce et plus précise dans l’identification des lésions malignes à partir de lésions bénignes est nécessaire.
Notre groupe a développé un système transvaginal US et PAT co-enregistré (USPAT) pour le diagnostic du cancer de l’ovaire en combinant un système américain clinique, une gaine de sonde sur mesure pour loger les fibres optiques pour la livraison de la lumière et un laser accordable1. La concentration totale d’hémoglobine (échelle relative, rHbT) et la saturation en oxygène du sang (%sO2) dérivées du système USPAT ont démontré un grand potentiel pour la détection des cancers de l’ovaire à un stade précoce et pour le diagnostic précis des lésions ovariennes pour une évaluation efficace des risques et la réduction des chirurgies inutiles des lésions bénignes 1,2. Le schéma actuel du système est illustré à la figure 1 et le schéma fonctionnel de contrôle à la figure 2. Cette stratégie a le potentiel d’être intégrée aux protocoles d’ETS existants pour le diagnostic du cancer de l’ovaire tout en fournissant des paramètres fonctionnels (rHbT, %sO2) pour améliorer la sensibilité et la spécificité des TU.
Protocol
Representative Results
Discussion
Éclairage optique
Le nombre de fibres utilisées est basé sur deux facteurs: l’uniformité de l’éclairage lumineux et la complexité du système. Il est essentiel d’avoir un modèle d’éclairage lumineux uniforme à la surface de la peau pour éviter les points chauds. Il est également important de garder le système simple et robuste avec un nombre minimal de fibres. L’utilisation de quatre fibres distinctes s’est déjà révélée optimale pour créer un éclairage uniforme à des pr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le NCI (R01CA151570, R01CA237664). Les auteurs remercient l’ensemble du groupe d’oncologie GYN dirigé par le Dr Mathew Powell pour avoir aidé au recrutement des patients, les radiologues Drs Cary Siegel, William Middleton et Malak Itnai pour avoir aidé aux études américaines, et le pathologiste Dr Ian Hagemann pour avoir aidé à l’interprétation pathologique des données. Les auteurs remercient Megan Luther et les coordonnateurs de l’étude GYN pour leurs efforts dans la coordination des calendriers de l’étude, l’identification des patients pour l’étude et l’obtention d’un consentement éclairé.
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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