Un protocollo di ecografia e imaging fotoacustico coregistrato per l'imaging transvaginale delle lesioni ovariche
Summary
Riportiamo un protocollo di ecografia e imaging fotoacustico coregistrato per l’imaging transvaginale delle lesioni ovariche/annessiali. Il protocollo può essere prezioso per altri studi di imaging fotoacustico traslazionale, in particolare quelli che utilizzano array di ultrasuoni commerciali per il rilevamento di segnali fotoacustici e algoritmi standard di beamforming a distanza e somma per l’imaging.
Abstract
Il cancro ovarico rimane il più mortale di tutti i tumori maligni ginecologici a causa della mancanza di strumenti di screening affidabili per la diagnosi precoce. L’imaging fotoacustico o la tomografia (PAT) è una modalità di imaging emergente che può fornire la concentrazione totale di emoglobina (scala relativa, rHbT) e la saturazione di ossigeno nel sangue (%sO2) delle lesioni ovariche/annessiali, che sono parametri importanti per la diagnosi del cancro. In combinazione con l’ecografia coregistrata (US), PAT ha dimostrato un grande potenziale per rilevare i tumori ovarici e per diagnosticare accuratamente le lesioni ovariche per un’efficace valutazione del rischio e la riduzione di interventi chirurgici non necessari di lesioni benigne. Tuttavia, i protocolli di imaging PAT nelle applicazioni cliniche, per quanto ne sappiamo, variano ampiamente tra i diversi studi. Qui, riportiamo un protocollo di imaging del cancro ovarico transvaginale che può essere utile per altri studi clinici, in particolare quelli che utilizzano array di ultrasuoni commerciali per il rilevamento di segnali fotoacustici e algoritmi standard di beamforming a ritardo e somma per l’imaging.
Introduction
L’imaging fotoacustico o tomografia (PAT) è una modalità di imaging ibrida che misura la distribuzione dell’assorbimento ottico a risoluzione e profondità statunitensi ben oltre il limite di diffusione ottica tissutale (~ 1 mm). In PAT, un impulso laser di nanosecondi viene utilizzato per eccitare il tessuto biologico, causando un aumento transitorio della temperatura dovuto all’assorbimento ottico. Ciò porta ad un aumento iniziale della pressione e le onde fotoacustiche risultanti vengono misurate dai trasduttori statunitensi. La PAT multispettrale prevede l’uso di un laser sintonizzabile o di laser multipli che operano a diverse lunghezze d’onda per illuminare il tessuto, consentendo così la ricostruzione di mappe di assorbimento ottico a più lunghezze d’onda. Sulla base dell’assorbimento differenziale dell’emoglobina ossigenata e deossigenata nella finestra del vicino infrarosso (NIR), la PAT multispettrale può calcolare le distribuzioni delle concentrazioni di emoglobina ossigenata e deossigenata, la concentrazione totale di emoglobina e la saturazione di ossigeno nel sangue, che sono tutti biomarcatori funzionali correlati all’angiogenesi tumorale e al consumo di ossigenazione del sangue o al metabolismo tumorale. PAT ha dimostrato il successo in molte applicazioni oncologiche, come il cancro ovarico1,2, il cancro al seno 3,4,5, il cancro della pelle6, il cancro della tiroide 7,8, il cancro cervicale 9, il cancro alla prostata 10,11 e il cancro del colon-retto 12.
Il cancro ovarico è il più mortale di tutti i tumori maligni ginecologici. Solo il 38% dei tumori ovarici viene diagnosticato in una fase precoce (localizzata o regionale), dove il tasso di sopravvivenza a 5 anni è compreso tra il 74,2% e il 93,1%. La maggior parte viene diagnosticata in una fase avanzata, per la quale il tasso di sopravvivenza a 5 anni è del 30,8% o meno13. Gli attuali metodi di diagnosi clinica, tra cui l’ecografia transvaginale (TUS), Doppler US, l’antigene del cancro sierico 125 (CA 125) e la proteina 4 dell’epididimo umano (HE4), hanno dimostrato di mancare di sensibilità e specificità per la diagnosi precoce del cancro ovarico14,15,16. Inoltre, una grande porzione di lesioni ovariche benigne può essere difficile da diagnosticare con precisione con le attuali tecnologie di imaging, il che porta a interventi chirurgici non necessari con aumento dei costi sanitari e complicanze chirurgiche. Pertanto, sono necessari ulteriori metodi accurati e non invasivi per la stratificazione del rischio delle masse annessiali per ottimizzare la gestione e i risultati. Chiaramente, è necessaria una tecnica sensibile e specifica per il carcinoma ovarico in fase iniziale e più accurata nell’identificare le lesioni maligne da quelle benigne.
Il nostro gruppo ha sviluppato un sistema transvaginale US e PAT (USPAT) coregistrato per la diagnosi del cancro ovarico combinando un sistema clinico statunitense, una guaina sonda su misura per alloggiare le fibre ottiche per l’erogazione della luce e un laser sintonizzabile1. La concentrazione totale di emoglobina (scala relativa, rHbT) e la saturazione di ossigeno nel sangue (%sO2) derivata dal sistema USPAT hanno dimostrato un grande potenziale per l’individuazione di tumori ovarici in stadio iniziale e per la diagnosi accurata delle lesioni ovariche per un’efficace valutazione del rischio e la riduzione di interventi chirurgici non necessari sulle lesioni benigne 1,2. Lo schema di sistema corrente è illustrato nella Figura 1 e il diagramma dei blocchi di controllo è mostrato nella Figura 2. Questa strategia ha il potenziale per essere integrata nei protocolli TUS esistenti per la diagnosi del cancro ovarico, fornendo al contempo parametri funzionali (rHbT, %sO2) per migliorare la sensibilità e la specificità della TUS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Illuminazione ottica
Il numero di fibre utilizzate si basa su due fattori: uniformità dell’illuminazione della luce e complessità del sistema. È fondamentale avere un modello di illuminazione uniforme della luce sulla superficie della pelle per evitare punti caldi. È anche importante mantenere il sistema semplice e robusto con un numero minimo di fibre. L’uso di quattro fibre separate ha precedentemente dimostrato di essere ottimale per creare un’illuminazione uniforme a profondità di diversi mil…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dal NSC (R01CA151570, R01CA237664). Gli autori ringraziano l’intero gruppo di oncologia GYN guidato dal Dr. Mathew Powell per aver aiutato a reclutare pazienti, i radiologi Drs. Cary Siegel, William Middleton e Malak Itnai per aver aiutato con gli studi statunitensi e il patologo Dr. Ian Hagemann per aiutare con l’interpretazione patologica dei dati. Gli autori riconoscono con gratitudine gli sforzi di Megan Luther e dei coordinatori dello studio GYN nel coordinare i programmi di studio, identificare i pazienti per lo studio e ottenere il consenso informato.
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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