Протокол ультразвуковой и фотоакустической визуализации для трансвагинальной визуализации поражений яичников
Summary
Мы сообщаем о протоколе ультразвуковой и фотоакустической визуализации для трансвагинальной визуализации поражений яичников / придаточных книжек. Протокол может быть полезен для других трансляционных фотоакустических исследований, особенно тех, в которых используются коммерческие ультразвуковые решетки для обнаружения фотоакустических сигналов и стандартные алгоритмы формирования луча с задержкой и суммой для визуализации.
Abstract
Рак яичников остается самым смертоносным из всех гинекологических злокачественных новообразований из-за отсутствия надежных инструментов скрининга для раннего выявления и диагностики. Фотоакустическая визуализация или томография (PAT) является новым методом визуализации, который может обеспечить общую концентрацию гемоглобина (относительная шкала, rHbT) и насыщение крови кислородом (% sO2) поражений яичников / придаточных отверстий, которые являются важными параметрами для диагностики рака. В сочетании с УЗИ ПАТ продемонстрировал большой потенциал для выявления рака яичников и точной диагностики поражений яичников для эффективной оценки риска и сокращения ненужных операций доброкачественных поражений. Тем не менее, протоколы визуализации PAT в клинических приложениях, насколько нам известно, в значительной степени различаются между различными исследованиями. Здесь мы сообщаем о протоколе визуализации трансвагинального рака яичников, который может быть полезен для других клинических исследований, особенно тех, в которых используются коммерческие ультразвуковые решетки для обнаружения фотоакустических сигналов и стандартные алгоритмы формирования луча с задержкой и суммой для визуализации.
Introduction
Фотоакустическая визуализация или томография (PAT) представляет собой гибридную модальность визуализации, которая измеряет распределение оптического поглощения с разрешением США и глубиной далеко за пределами предела оптической диффузии ткани (~ 1 мм). В PAT наносекундный лазерный импульс используется для возбуждения биологической ткани, вызывая временное повышение температуры из-за оптического поглощения. Это приводит к начальному повышению давления, и результирующие фотоакустические волны измеряются американскими преобразователями. Мультиспектральный PAT включает в себя использование либо перестраиваемого лазера, либо нескольких лазеров, работающих на разных длинах волн для освещения ткани, тем самым позволяя реконструировать карты оптического поглощения на нескольких длинах волн. Основываясь на дифференциальном поглощении оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина в ближнем инфракрасном (NIR) окне, мультиспектральный ПАТ может вычислять распределение концентраций оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина, общую концентрацию гемоглобина и насыщение крови кислородом, которые являются функциональными биомаркерами, связанными с ангиогенезом опухоли и потреблением оксигенации крови или метаболизмом опухоли. PAT продемонстрировал успех во многих онкологических приложениях, таких как рак яичников 1,2, рак молочной железы 3,4,5, рак кожи6, рак щитовидной железы 7,8, рак шейки матки9, рак предстательной железы10,11 и колоректальный рак12.
Рак яичников является самым смертоносным из всех гинекологических злокачественных новообразований. Только 38% случаев рака яичников диагностируются на ранней (локализованной или региональной) стадии, где 5-летняя выживаемость составляет от 74,2% до 93,1%. Большинство диагностируется на поздней стадии, для которой 5-летняя выживаемость составляет 30,8% или менее13. Современные методы клинической диагностики, включая трансвагинальное УЗИ (TUS), допплеровскую УЗИ, антиген рака сыворотки 125 (CA 125) и белок придатка яичка человека 4 (HE4), не имеют чувствительности и специфичности для ранней диагностики рака яичников 14,15,16. Кроме того, большую часть доброкачественных поражений яичников может быть трудно точно диагностировать с помощью современных технологий визуализации, что приводит к ненужным операциям с повышенными расходами на здравоохранение и хирургическими осложнениями. Таким образом, для оптимизации управления и результатов необходимы дополнительные точные неинвазивные методы стратификации риска аднексальных масс. Очевидно, что необходима техника, которая чувствительна и специфична для рака яичников на ранней стадии и более точна в выявлении злокачественных и доброкачественных поражений.
Наша группа разработала корегистрированную трансвагинальную систему US и PAT (USPAT) для диагностики рака яичников, объединив клиническую систему УЗИ, изготовленную на заказ оболочку зонда для размещения оптических волокон для доставки света и перестраиваемый лазер1. Общая концентрация гемоглобина (относительная шкала, rHbT) и насыщение крови кислородом (%sO2), полученные из системы USPAT, продемонстрировали большой потенциал для выявления рака яичников на ранней стадии и для точной диагностики поражений яичников для эффективной оценки риска и сокращения ненужных операций по удалению доброкачественных поражений 1,2. Текущая схема системы показана на рисунке 1, а блок-схема управления показана на рисунке 2. Эта стратегия может быть интегрирована в существующие протоколы TUS для диагностики рака яичников, обеспечивая при этом функциональные параметры (rHbT, %sO2) для улучшения чувствительности и специфичности TUS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Оптическая подсветка
Количество используемых волокон основано на двух факторах: равномерности освещения света и сложности системы. Очень важно иметь равномерный световой рисунок освещения на поверхности кожи, чтобы избежать горячих точек. Также важно, чтобы система была п?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана NCI (R01CA151570, R01CA237664). Авторы благодарят всю онкологическую группу гинекологов во главе с доктором Мэтью Пауэллом за помощь в наборе пациентов, радиологов докторов Кэри Сигела, Уильяма Миддлтона и Малака Итнаи за помощь в исследованиях в США и патологоанатома доктора Яна Хагеманна за помощь в интерпретации данных патологии. Авторы с благодарностью отмечают усилия Меган Лютер и координаторов исследований GYN в координации графиков исследования, выявлении пациентов для исследования и получении информированного согласия.
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 |
References
- 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. Cancer Research. 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).
