我们报道了一种用于经阴道卵巢/附件病变成像的超声与光声共配准成像方案。该方案可能对其他转化型光声成像研究具有参考价值，特别是那些采用商用超声阵列检测光声信号，并使用标准延时叠加波束成形算法进行成像的研究。
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本文内容
摘要
摘要
由于缺乏可靠的早期检测和诊断筛查工具，卵巢癌仍然是所有妇科恶性肿瘤中致死率最高的癌症。光声成像或断层扫描（PAT）是一种新兴的成像技术，可提供卵巢/附件病变的总血红蛋白浓度（相对尺度，rHbT）和血液氧饱和度（%sO₂），这些是癌症诊断的重要参数。结合共配准的超声（US），PAT 在检测卵巢癌以及准确诊断卵巢病变方面展现出巨大潜力，有助于有效评估风险并减少对良性病变不必要的手术。然而，据我们所知，PAT 在临床应用中的成像方案在不同研究之间存在较大差异。本文报道了一种经阴道卵巢癌成像方案，可为其他临床研究提供参考，特别是那些采用商用超声阵列检测光声信号以及使用标准延时叠加波束成形算法进行成像的研究。
引言
光声成像或断层扫描（PAT）是一种混合成像模式，能够以超声分辨率在远超组织光学扩散极限（约1 mm）的深度下测量光学吸收分布。在PAT中，利用纳秒激光脉冲激发生物组织，由于光学吸收导致组织产生瞬时温度升高，进而引起初始压力上升，所产生的光声波由超声换能器检测。多光谱PAT采用可调谐激光器或多个在不同波长下工作的激光器照射组织，从而实现多个波长下的光学吸收图的重建。基于氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白在近红外（NIR）窗口内的差异吸收特性，多光谱PAT可计算氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度、总血红蛋白浓度以及血氧饱和度的分布，这些均为与肿瘤血管生成、血液氧消耗或肿瘤代谢相关的功能性生物标志物。PAT已在多种肿瘤学应用中取得成功，如卵巢癌1,2、乳腺癌3,4,5、皮肤癌6、甲状腺癌7,8、宫颈癌9、前列腺癌10,11
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方案
所有开展的研究均经华盛顿大学机构审查委员会批准。
1. 系统配置：光学照明（图1）
- 使用Nd:YAG激光器泵浦一个脉冲式可调谐（690-890 nm）的钛宝石激光器，重复频率为10 Hz。
- 首先使用平凹透镜使激光束发散，再用平凸透镜对光束进行准直，从而实现光束的扩展。使用两个反射镜将光束引导至分束器（如下所述）。
- 通过偏振分束器将原始光束分成两束，再利用另外两个二级分束器将这两束光进一步分割，最终将扩展后的激光束分为四束能量相等的光束。
- 安装四个带光纤夹具的多模光纤。
- 使用四个平凸透镜将四束激光分别聚焦耦合进四根光纤中。
- 出于激光安全考虑，需将所有光学元件覆盖在一个金属箱内，以确保光路不外露。
- 将四根光纤的另一端连接至经阴道超声探头，并将探头与光纤共同包裹在保护套管中。
注意：换能器的套管和声窗涂有高反射白色涂料，以提高照明均匀性。该装置（包括使用四根光纤进行光传输）此前已被证明在经阴道应用中具有最优性能17。详见讨论部分。
2. 系统配置：超声检测与扫....
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结果
此处展示了使用超声光声成像（USPAT）检测的恶性与正常卵巢病变示例。图3显示了一名50岁绝经前女性，经增强CT检查发现双侧附件区多房囊性肿块。图3A为左侧附件区的超声图像，感兴趣区域（ROI）标记了囊性病变内部可疑的实性结节。图3B为将PAT的总血红蛋白浓度（rHbT）图叠加于超声图像上的结果，以红色显示。rHbT图像显示在1 cm至5 cm深度范围内存在广泛弥散的血管分布，其水平较高，达17.1（a.u.）。图3C为氧饱和度（%sO2）分布图叠加于超声图像的结果，其水平较低，平均值为46.4%。rHbT和%sO2在感兴趣区域内的直方图分别显示在对应图像的右上角。术后病理检查结果显示双侧卵巢均为高分化子宫内膜样腺癌。
图4 显示一名46岁女性双侧卵巢囊性病变。
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讨论
光学照明
所用光纤的数量取决于两个因素：光照均匀性和系统复杂性。在皮肤表面实现均匀的光照分布至关重要，以避免出现热点。同时，还需保持系统的简洁性和稳定性，并尽量减少光纤数量。先前的研究已表明，使用四根独立的光纤可在数毫米及更深的组织深度实现最佳的均匀照明效果。此外，将光耦合至四根光纤的结构相对简单且稳定，适合用于临床患者研究。我们此前已证实，采用四根芯径为1 mm的多模光纤，光纤端面距离组织约10 mm，并置于高反射性探头护套内（设计参见补充文件1），对于经阴道光声成像最为理想17。
USPAT 显示软件
我们使用的临床超声系统可编程实现单波长光声成像（PAT）的实时显示21。然而，我们的方法需要对多光谱 PAT 数据进行定制化的后处理以计算功能参数，因此我们选择使用 C++ 自行开发 USPAT 显示软件，用于计算并可视化功能图谱和参数。超声（US）和光声（PAT）B 模图像通过射频（RF）数据.......
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披露
作者在本论文中无相关财务利益，也无其他潜在利益冲突需要披露。
致谢
本工作由美国国家癌症研究所（NCI）资助（项目编号：R01CA151570，R01CA237664）。作者感谢由Matthew Powell博士领导的整个妇科肿瘤团队在患者招募方面的协助，感谢放射科医生Cary Siegel博士、William Middleton博士和Malak Itnai博士在超声研究方面的帮助，以及病理学家Ian Hagemann博士在病理数据解读方面的支持。作者衷心感谢Megan Luther及妇科研究协调员团队在协调研究日程、确定研究对象和获取知情同意过程中所付出的努力。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 临床超声成像系统 | Alpinion Medical Systems | EC-12R | 完全可编程的临床超声系统 |
| 介电镜 | Thorlabs | BB1-E03 | 用于沿光路反射光 |
| 腔内超声换能器 | Alpinion Medical Systems | EC3-10 | 经阴道超声探头 |
| 激光功率计 | Coherent | LabMax TOP | 用于测量激光能量 |
| 多模光纤 | Thorlabs | FP1000ERT | 将激光耦合至腔内超声探头 |
| 非偏振分光板 | Thorlabs | BSW11 | 用于将激光束分束至传感器以测量能量 |
| 平凹透镜 | Thorlabs | LC1715 | 用于激光束扩束 |
| 平凸透镜 | Thorlabs | LA1484-B | 用于激光束准直 |
| 平凸透镜 | Thorlabs | LA1433-B | 用于将光聚焦至四根光纤中 |
| 偏振分光立方体 | Thorlabs | PBS252 | 用于将激光束分成四束 |
| 探头保护套 | 定制3D打印 | 固定并保护位于超声探头尖端的四根光纤 | |
| 直角棱镜镜 | Thorlabs | MRA25-E03 | 用于沿光路反射光 |
| 可调谐激光系统 | Symphotic TII | LS-2145-LT50PC | 多光谱光声断层成像的光源 |
| 超声光声控制软件 | 基于C++自主开发 | 控制超声设备和激光波长的采集参数 | |
| 超声光声图像显示软件 | 基于C++自主开发 | 实时显示超声/光声B型扫描图像以及sO₂/rHbT图 |
参考文献
- 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 blo....
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重印与许可
