Ett samregistrerat ultraljud och fotoakustiskt avbildningsprotokoll för transvaginal avbildning av äggstocksskador
Summary
Vi rapporterar ett samregistrerat ultraljud och fotoakustiskt avbildningsprotokoll för transvaginal avbildning av äggstocks-/adnexala lesioner. Protokollet kan vara värdefullt för andra translationella fotoakustiska avbildningsstudier, särskilt de som använder kommersiella ultraljudsmatriser för detektion av fotoakustiska signaler och standardalgoritmer för fördröjning och summa strålformning för avbildning.
Abstract
Äggstockscancer är fortfarande den dödligaste av alla gynekologiska maligniteter på grund av bristen på tillförlitliga screeningverktyg för tidig upptäckt och diagnos. Fotoakustisk avbildning eller tomografi (PAT) är en framväxande bildmodalitet som kan ge den totala hemoglobinkoncentrationen (relativ skala, rHbT) och syremättnad i blodet (% sO2) av äggstocks- / adnexala lesioner, som är viktiga parametrar för cancerdiagnos. I kombination med samregistrerat ultraljud (US) har PAT visat stor potential för att upptäcka äggstockscancer och för att noggrant diagnostisera äggstocksskador för effektiv riskbedömning och minskning av onödiga operationer av godartade lesioner. Men PAT-avbildningsprotokoll i kliniska tillämpningar, såvitt vi vet, varierar i stor utsträckning mellan olika studier. Här rapporterar vi ett transvaginalt avbildningsprotokoll för äggstockscancer som kan vara till nytta för andra kliniska studier, särskilt de som använder kommersiella ultraljudsmatriser för detektion av fotoakustiska signaler och standardalgoritmer för fördröjning och summa strålformning för avbildning.
Introduction
Fotoakustisk avbildning eller tomografi (PAT) är en hybridbildmodalitet som mäter den optiska absorptionsfördelningen vid amerikansk upplösning och djup långt bortom vävnadens optiska diffusionsgräns (~ 1 mm). I PAT används en nanosekund laserpuls för att excitera biologisk vävnad, vilket orsakar en övergående temperaturökning på grund av optisk absorption. Detta leder till en initial tryckstegring, och de resulterande fotoakustiska vågorna mäts av amerikanska givare. Multispektral PAT innebär användning av antingen en avstämbar laser eller flera lasrar som arbetar vid olika våglängder för att belysa vävnaden, vilket möjliggör rekonstruktion av optiska absorptionskartor vid flera våglängder. Baserat på differentiell absorption av syresatt och deoxygenerat hemoglobin i det nära infraröda (NIR) fönstret kan multispektral PAT beräkna fördelningarna av syresatta och deoxygenerade hemoglobinkoncentrationer, den totala hemoglobinkoncentrationen och blodets syremättnad, som alla är funktionella biomarkörer relaterade till tumörangiogenes och blodsyreförbrukning eller tumörmetabolism. PAT har visat framgång i många onkologiska applikationer, såsom äggstockscancer1,2, bröstcancer 3,4,5, hudcancer 6, sköldkörtelcancer7,8, livmoderhalscancer9, prostatacancer 10,11 och kolorektal cancer 12.
Äggstockscancer är den dödligaste av alla gynekologiska maligniteter. Endast 38% av äggstockscancer diagnostiseras i ett tidigt (lokaliserat eller regionalt) stadium, där 5-årsöverlevnaden är 74,2% till 93,1%. De flesta diagnostiseras i ett sent skede, för vilket 5-årsöverlevnaden är 30,8% eller mindre13. Nuvarande kliniska diagnosmetoder, inklusive transvaginalt ultraljud (TUS), Doppler US, serumcancerantigen 125 (CA 125) och humant epididymisprotein 4 (HE4), visar sig sakna sensitivitet och specificitet för tidig äggstockscancerdiagnos14,15,16. Dessutom kan en stor del av godartade äggstocksskador vara svåra att diagnostisera exakt med nuvarande bildteknik, vilket leder till onödiga operationer med ökade sjukvårdskostnader och kirurgiska komplikationer. Således behövs ytterligare noggranna icke-invasiva metoder för riskstratifiering av adnexala massor för att optimera hanteringen och resultaten. Det är uppenbart att en teknik som är känslig och specifik för äggstockscancer i tidigt stadium och mer exakt för att identifiera maligna från godartade lesioner behövs.
Vår grupp har utvecklat ett samregistrerat transvaginalt USA- och PAT-system (USPAT) för diagnos av äggstockscancer genom att kombinera ett kliniskt amerikanskt system, en skräddarsydd sondmantel för att hysa de optiska fibrerna för ljusleverans och en avstämbar laser1. Den totala hemoglobinkoncentrationen (relativ skala, rHbT) och syremättnaden i blodet (% sO2) härledd från USPAT-systemet har visat stor potential för upptäckt av äggstockscancer i tidigt stadium och för noggrann diagnos av äggstocksskador för effektiv riskbedömning och minskning av onödiga godartade lesionsoperationer 1,2. Det aktuella systemschemat visas i figur 1 och kontrollblocksdiagrammet visas i figur 2. Denna strategi har potential att integreras i befintliga TUS-protokoll för diagnos av äggstockscancer samtidigt som funktionella parametrar (rHbT, %sO2) tillhandahålls för att förbättra känsligheten och specificiteten hos TUS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Optisk belysning
Antalet fibrer som används är baserat på två faktorer: ljusbelysningens enhetlighet och systemkomplexitet. Det är viktigt att ha ett enhetligt ljusbelysningsmönster på hudytan för att undvika heta fläckar. Det är också viktigt att hålla systemet enkelt och robust med ett minimalt antal fibrer. Användningen av fyra separata fibrer har tidigare visat sig vara optimal för att skapa enhetlig belysning på flera millimeters djup och därutöver. Dessutom är ljuskopplingen ti…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av NCI (R01CA151570, R01CA237664). Författarna tackar hela GYN-onkologigruppen ledd av Dr. Mathew Powell för att hjälpa till med att rekrytera patienter, radiologerna Drs. Cary Siegel, William Middleton och Malak Itnai för att hjälpa till med de amerikanska studierna och patologen Dr. Ian Hagemann för att hjälpa till med patologitolkningen av data. Författarna erkänner tacksamt Megan Luthers och GYN-studiekoordinatorernas ansträngningar för att samordna studiescheman, identifiera patienter för studien och få informerat samtycke.
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 |
Referências
- Nandy, S., et al. Evaluation of ovarian cancer: Initial application of coregistered photoacoustic tomography and US. Radiology. 289 (3), 740-747 (2018).
- Amidi, E., et al. Role of blood oxygenation saturation in ovarian cancer diagnosis using multi-spectral photoacoustic tomography. Journal of Biophotonics. 14 (4), 202000368 (2021).
- Dogan, B. E., et al. Optoacoustic imaging and gray-scale US features of breast cancers: Correlation with molecular subtypes. Radiology. 292 (3), 564-572 (2019).
- Menezes, G. L. G., et al. Downgrading of breast masses suspicious for cancer by using optoacoustic breast imaging. Radiology. 288 (2), 355-365 (2018).
- Neuschler, E. I., et al. A pivotal study of optoacoustic imaging to diagnose benign and malignant breast masses: A new evaluation tool for radiologists. Radiology. 287 (2), 398-412 (2018).
- von Knorring, T., Mogensen, M. Photoacoustic tomography for assessment and quantification of cutaneous and metastatic malignant melanoma – A systematic review. Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 33, 102095 (2021).
- Han, S., Lee, H., Kim, C., Kim, J. Review on multispectral photoacoustic analysis of cancer: Thyroid and breast. Metabolites. 12 (5), 382 (2022).
- Kim, J., et al. Multiparametric photoacoustic analysis of human thyroid cancers in vivo. Pesquisa do Câncer. 81 (18), 4849-4860 (2021).
- Basij, M., Karpiouk, A., Winer, I., Emelianov, S., Mehrmohammadi, M. Dual-illumination ultrasound/photoacoustic system for cervical cancer imaging. IEEE Photonics Journal. 13 (1), 6900310 (2021).
- Agrawal, S., et al. development, and multi-characterization of an integrated clinical transrectal ultrasound and photoacoustic device for human prostate imaging. Diagnostics. 10 (8), 566 (2020).
- Kothapalli, S. -. R., et al. Simultaneous transrectal ultrasound and photoacoustic human prostate imaging. Science Translational Medicine. 11 (507), 2169 (2019).
- Leng, X., et al. Assessing rectal cancer treatment response using coregistered endorectal photoacoustic and US imaging paired with deep learning. Radiology. 299 (2), 349-358 (2021).
- Surveillance, Epidemiology, and End Results Program. Cancer of the Ovary – Cancer Stat Facts. National Cancer Institute Available from: https://seer.cancer.gov/statfacts/html/ovary.html (2022)
- Temkin, S. M., et al. Outcomes from ovarian cancer screening in the PLCO trial: Histologic heterogeneity impacts detection, overdiagnosis and survival. European Journal of Cancer. 87, 182-188 (2017).
- Kobayashi, H., et al. A randomized study of screening for ovarian cancer: A multicenter study in Japan. International Journal of Gynecological Cancer. 18 (3), 414-420 (2008).
- Andreotti, R. F., et al. O-RADS US risk stratification and management system: A consensus guideline from the ACR ovarian-adnexal reporting and data system committee. Radiology. 294 (1), 168-185 (2020).
- Salehi, H. S., et al. Design of optimal light delivery system for coregistered transvaginal ultrasound and photoacoustic imaging of ovarian tissue. Photoacoustics. 3 (3), 114-122 (2015).
- Oppenheim, A. V., Schafer, R. W. . Digital Signal Processing. , (1975).
- Zou, Y., Amidi, E., Luo, H., Zhu, Q. Ultrasound-enhanced Unet model for quantitative photoacoustic tomography of ovarian lesions. Photoacoustics. 28, 100420 (2022).
- Prince, J. L., Links, J. M. . Medical Imaging Signals and Systems. , (2006).
- Kim, J., et al. Programmable Real-time Clinical Photoacoustic and Ultrasound Imaging System. Scientific Reports. 6, 35137 (2016).
