En samregistrert ultralyd- og fotoakustisk bildebehandlingsprotokoll for transvaginal avbildning av ovariale lesjoner

Summary

Vi rapporterer en samregistrert ultralyd- og fotoakustisk bildebehandlingsprotokoll for transvaginal avbildning av ovarie/adnexale lesjoner. Protokollen kan være verdifull for andre translasjonelle fotoakustiske bildestudier, spesielt de som bruker kommersielle ultralydarrayer for påvisning av fotoakustiske signaler og standard forsinkelses- og sumstråleformingsalgoritmer for avbildning.

Abstract

Eggstokkreft er fortsatt den dødeligste av alle gynekologiske maligniteter på grunn av mangel på pålitelige screeningsverktøy for tidlig påvisning og diagnose. Fotoakustisk avbildning eller tomografi (PAT) er en fremvoksende avbildningsmodalitet som kan gi total hemoglobinkonsentrasjon (relativ skala, rHbT) og oksygenmetning i blodet (%sO2) av ovarie/adnexale lesjoner, som er viktige parametere for kreftdiagnose. Kombinert med samregistrert ultralyd (US) har PAT vist stort potensial for å oppdage eggstokkreft og for nøyaktig diagnostisering av ovarialesjoner for effektiv risikovurdering og reduksjon av unødvendige operasjoner av godartede lesjoner. Imidlertid varierer PAT-bildeprotokoller i kliniske applikasjoner, så vidt vi vet, i stor grad mellom ulike studier. Her rapporterer vi en transvaginal ovariecancer imaging protokoll som kan være gunstig for andre kliniske studier, spesielt de som bruker kommersielle ultralydarrays for påvisning av fotoakustiske signaler og standard forsinkelse-og-sum stråleformingsalgoritmer for bildebehandling.

Introduction

Fotoakustisk avbildning eller tomografi (PAT) er en hybrid avbildningsmodalitet som måler den optiske absorpsjonsfordelingen ved amerikansk oppløsning og dybder langt utover vevets optiske diffusjonsgrense (~ 1 mm). I PAT brukes en nanosekund laserpuls til å opphisse biologisk vev, noe som forårsaker en forbigående temperaturstigning på grunn av optisk absorpsjon. Dette fører til en innledende trykkøkning, og de resulterende fotoakustiske bølgene måles av amerikanske transdusere. Multispektral PAT innebærer bruk av enten en justerbar laser eller flere lasere som opererer på forskjellige bølgelengder for å belyse vevet, og muliggjør dermed rekonstruksjon av optiske absorpsjonskart ved flere bølgelengder. Basert på differensialabsorpsjonen av oksygenert og deoksygenert hemoglobin i det nær-infrarøde (NIR) vinduet, kan multispektral PAT beregne fordelingen av oksygenerte og deoksygenerte hemoglobinkonsentrasjoner, den totale hemoglobinkonsentrasjonen og oksygenmetningen i blodet, som alle er funksjonelle biomarkører relatert til tumorangiogenese og oksygeneringsforbruk i blodet eller tumormetabolisme. PAT har vist suksess i mange onkologiske applikasjoner, for eksempel eggstokkreft^1,2, brystkreft 3,4,5, hudkreft ⁶, skjoldbruskkjertelkreft^7,8, livmorhalskreft ⁹, prostatakreft ^10,11 og kolorektal kreft ¹².

Eggstokkreft er den dødeligste av alle gynekologiske maligniteter. Bare 38% av eggstokkreft diagnostiseres på et tidlig (lokalisert eller regionalt) stadium, hvor 5-års overlevelsesraten er 74,2% til 93,1%. De fleste diagnostiseres på et sent stadium, hvor 5-års overlevelsesraten er 30,8% eller mindre¹³. Nåværende kliniske diagnosemetoder, inkludert transvaginal ultralyd (TUS), Doppler USA, serumkreft antigen 125 (CA 125) og humant epididymis protein 4 (HE4), er vist å mangle sensitivitet og spesifisitet for tidlig eggstokkreftdiagnose^14,15,16. I tillegg kan en stor del av godartede ovarialesjoner være vanskelig å diagnostisere nøyaktig med dagens bildebehandlingsteknologi, noe som fører til unødvendige operasjoner med økte helsekostnader og kirurgiske komplikasjoner. Dermed er det behov for ytterligere nøyaktige ikke-invasive metoder for risikostratifisering av adnexalmassene for å optimalisere styringen og resultatene. Det er klart at en teknikk som er følsom og spesifikk for tidlig stadium eggstokkreft og mer nøyaktig når det gjelder å identifisere ondartet fra godartede lesjoner, er nødvendig.

Vår gruppe har utviklet et samregistrert transvaginalt amerikansk og PAT-system (USPAT) for eggstokkreftdiagnose ved å kombinere et klinisk amerikansk system, en skreddersydd sondekappe for å huse de optiske fibrene for lett levering, og en justerbar laser¹. Den totale hemoglobinkonsentrasjonen (relativ skala, rHbT) og oksygenmetningen i blodet (%sO2) avledet fra USPAT-systemet har vist stort potensial for påvisning av eggstokkreft i tidlig stadium og for nøyaktig diagnostisering av ovarialesjoner for effektiv risikovurdering og reduksjon av unødvendige godartede lesjonsoperasjoner ^1,2. Gjeldende systemskjema er vist i figur 1, og kontrollblokkdiagrammet er vist i figur 2. Denne strategien har potensial til å bli integrert i eksisterende TUS-protokoller for eggstokkreftdiagnose, samtidig som den gir funksjonelle parametere (rHbT, %sO2) for å forbedre sensitiviteten og spesifisiteten til TUS.

Protocol

All forskning utført ble godkjent av Washington University Institutional Review Board. 1. Systemkonfigurasjon: Optisk belysning (figur 1) Bruk en Nd:YAG-laser som pumper en pulserende, justerbar (690-890 nm) Ti-safirlaser ved 10 Hz. Utvid laserstrålen ved først å avlede strålen med en plano-konkav linse og deretter kollimere strålen med en plano-konveks linse. Bruk to speil for å rette strålen mot en st…

Representative Results

Her viser vi eksempler på ondartede og normale eggstokklesjoner avbildet av USPAT. Figur 3 viser en 50 år gammel premenopausal kvinne med bilaterale multicystiske adnexalmasser påvist ved kontrastforsterket CT. Figur 3A viser det amerikanske bildet av venstre adnexa med ROI som markerer den mistenkelige solide knuten inne i cystisk lesjon. Figur 3B viser PAT rHbT-kartet lagt oppå USA og vist i rødt. rHbT viste omfattende diffu…

Discussion

Optisk belysning
Antall fibre som brukes er basert på to faktorer: lysbelysning, ensartethet og systemkompleksitet. Det er viktig å ha et jevnt lysbelysningsmønster på hudoverflaten for å unngå varme flekker. Det er også viktig å holde systemet enkelt og robust med et minimalt antall fibre. Bruken av fire separate fibre har tidligere vist seg å være optimal for å skape jevn belysning på dybder på flere millimeter og utover. I tillegg er lyskoblingen til fire optiske fibre relativt enkel o…

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