난소 병변의 질식 영상을위한 공동 등록 된 초음파 및 광 음향 영상 프로토콜
Summary
우리는 난소/부속기 병변의 질식 영상에 대해 공동 등록된 초음파 및 광음향 영상 프로토콜을 보고합니다. 이 프로토콜은 다른 병진 광 음향 영상 연구, 특히 광 음향 신호 검출을위한 상용 초음파 어레이 및 이미징을위한 표준 지연 및 합계 빔 형성 알고리즘을 사용하는 연구에 유용 할 수 있습니다.
Abstract
난소암은 조기 발견 및 진단을 위한 신뢰할 수 있는 선별 도구가 없기 때문에 모든 부인과 악성 종양 중 가장 치명적인 상태로 남아 있습니다. 광음향 영상 또는 단층 촬영(PAT)은 암 진단에 중요한 매개변수인 난소/부속기 병변의 총 헤모글로빈 농도(상대적 척도, rHbT) 및 혈중 산소 포화도(%sO2)를 제공할 수 있는 새로운 영상 방식입니다. 공동 등록 된 초음파 (미국)와 결합 된 PAT는 난소 암을 감지하고 난소 병변을 정확하게 진단하여 효과적인 위험 평가와 양성 병변의 불필요한 수술을 줄일 수있는 큰 잠재력을 보여주었습니다. 그러나 임상 응용 분야의 PAT 이미징 프로토콜은 우리가 아는 한 연구마다 크게 다릅니다. 여기에서는 다른 임상 연구, 특히 광 음향 신호 감지를위한 상용 초음파 어레이 및 이미징을위한 표준 지연 및 합계 빔 형성 알고리즘을 사용하는 임상 연구에 도움이 될 수있는 질식 난소 암 이미징 프로토콜을보고합니다.
Introduction
광음향 영상 또는 단층 촬영(PAT)은 조직 광학 확산 한계(~1mm)를 훨씬 초과하는 미국 해상도 및 깊이에서 광학 흡수 분포를 측정하는 하이브리드 영상 방식입니다. PAT에서 나노초 레이저 펄스는 생물학적 조직을 여기시키는 데 사용되어 광학 흡수로 인해 일시적인 온도 상승을 유발합니다. 이로 인해 초기 압력 상승이 발생하고 결과적인 광 음파는 US 변환기로 측정됩니다. 다중 스펙트럼 PAT는 조직을 조명하기 위해 조정 가능한 레이저 또는 서로 다른 파장에서 작동하는 다중 레이저를 사용하여 여러 파장에서 광학 흡수 맵을 재구성할 수 있습니다. 근적외선(NIR) 창에서 산소화 및 탈산소화 헤모글로빈의 차등 흡수를 기반으로 다중 스펙트럼 PAT는 종양 혈관 신생 및 혈액 산소화 소비 또는 종양 대사와 관련된 모든 기능적 바이오마커인 산소화 및 탈산소화 헤모글로빈 농도, 총 헤모글로빈 농도 및 혈중 산소 포화도의 분포를 계산할 수 있습니다. PAT는 난소암1,2, 유방암 3,4,5, 피부암6, 갑상선암 7,8, 자궁경부암9, 전립선암 10,11 및 대장 암 12와 같은 많은 종양학 응용 분야에서 성공을 입증했습니다.
난소 암은 모든 부인과 악성 종양 중에서 가장 치명적입니다. 난소 암의 38 %만이 초기 (국소 또는 지역) 단계에서 진단되며, 5 년 생존율은 74.2 %에서 93.1 %입니다. 대부분은 5 년 생존율이 30.8 % 이하인 말기 단계에서 진단됩니다13. 질식 초음파 (TUS), 도플러 미, 혈청 암 항원 125 (CA 125) 및 인간 부고환 단백질 4 (HE4)를 포함한 현재의 임상 진단 방법은 조기 난소 암 진단14,15,16에 대한 민감도와 특이성이 부족한 것으로 나타났습니다. 또한 양성 난소 병변의 상당 부분은 현재의 영상 기술로 정확하게 진단하기 어려울 수 있으며, 이는 의료 비용 증가와 수술 합병증으로 불필요한 수술로 이어질 수 있습니다. 따라서, 관리 및 결과를 최적화하기 위해 부속기 종괴의 위험 계층화를위한 추가적인 정확한 비 침습적 방법이 필요합니다. 분명히, 초기 난소 암에 민감하고 특이적이며 양성 병변에서 악성을 식별하는 데보다 정확한 기술이 필요합니다.
우리 그룹은 임상 US 시스템, 광 전달을 위한 광섬유를 수용하는 맞춤형 프로브 외피 및 조정 가능한 레이저1을 결합하여 난소암 진단을 위해 공동 등록된 질식 미국 및 PAT 시스템(USPAT)을 개발했습니다. USPAT 시스템에서 파생된 총 헤모글로빈 농도(상대적 척도, rHbT)와 혈중 산소 포화도(%sO2)는 초기 난소암을 발견하고 난소 병변을 정확하게 진단하여 효과적인 위험 평가 및 불필요한 양성 병변 수술의 감소에 대한 큰 잠재력을 입증했습니다1,2. 현재 시스템 회로도는 그림 1에 나와 있으며 제어 블록 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다. 이 전략은 난소암 진단을 위한 기존 TUS 프로토콜에 통합되는 동시에 기능적 매개변수(rHbT, %sO2)를 제공하여 TUS의 민감도와 특이성을 개선할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
광학 조명
사용되는 섬유의 수는 조명 균일 성과 시스템 복잡성의 두 가지 요소를 기반으로합니다. 핫스팟을 피하기 위해 피부 표면에 균일한 조명 패턴을 갖는 것이 중요합니다. 최소한의 섬유로 시스템을 단순하고 견고하게 유지하는 것도 중요합니다. 4 개의 개별 섬유를 사용하는 것은 이전에 수 밀리미터 이상의 깊이에서 균일 한 조명을 만드는 데 최적 인 것으로 나타났습니다…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작업은 NCI (R01CA151570, R01CA237664)의 지원을 받았습니다. 저자는 환자 모집을 도와준 Mathew Powell 박사가 이끄는 전체 GYN 종양학 그룹, 미국 연구를 도와준 방사선 전문의 Cary Siegel, William Middleton 및 Malak Itnai 박사, 데이터의 병리학적 해석을 도와준 병리학자 Ian Hagemann 박사에게 감사드립니다. 저자는 메간 루터와 GYN 연구 코디네이터가 연구 일정을 조정하고, 연구를 위해 환자를 식별하고, 정보에 입각 한 동의를 얻는 노력에 감사드립니다.
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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