Een co-geregistreerd echografie- en fotoakoestisch beeldvormingsprotocol voor de transvaginale beeldvorming van ovariumlaesies
Summary
We rapporteren een co-geregistreerd echografie- en fotoakoestisch beeldvormingsprotocol voor de transvaginale beeldvorming van ovariële / adnexale laesies. Het protocol kan waardevol zijn voor andere translationele fotoakoestische beeldvormingsstudies, met name die met behulp van commerciële ultrasone arrays voor de detectie van fotoakoestische signalen en standaard delay-and-sum beamforming-algoritmen voor beeldvorming.
Abstract
Eierstokkanker blijft de dodelijkste van alle gynaecologische maligniteiten vanwege het gebrek aan betrouwbare screeningsinstrumenten voor vroege detectie en diagnose. Fotoakoestische beeldvorming of tomografie (PAT) is een opkomende beeldvormingsmodaliteit die de totale hemoglobineconcentratie (relatieve schaal, rHbT) en bloedzuurstofverzadiging (% sO2) van ovariële / adnexale laesies kan bieden, die belangrijke parameters zijn voor de diagnose van kanker. In combinatie met co-geregistreerde echografie (VS) heeft PAT een groot potentieel aangetoond voor het detecteren van eierstokkankers en voor het nauwkeurig diagnosticeren van ovariumlaesies voor een effectieve risicobeoordeling en de vermindering van onnodige operaties van goedaardige laesies. PAT-beeldvormingsprotocollen in klinische toepassingen variëren echter, voor zover wij weten, grotendeels tussen verschillende onderzoeken. Hier rapporteren we een transvaginaal beeldvormingsprotocol voor eierstokkanker dat gunstig kan zijn voor andere klinische studies, vooral die met behulp van commerciële ultrasone arrays voor de detectie van fotoakoestische signalen en standaard delay-and-sum beamforming-algoritmen voor beeldvorming.
Introduction
Fotoakoestische beeldvorming of tomografie (PAT) is een hybride beeldvormingsmodaliteit die de optische absorptieverdeling meet met Amerikaanse resolutie en diepten ver boven de optische diffusielimiet van het weefsel (~ 1 mm). In PAT wordt een nanoseconde laserpuls gebruikt om biologisch weefsel te exciteren, waardoor een voorbijgaande temperatuurstijging ontstaat als gevolg van optische absorptie. Dit leidt tot een initiële drukstijging en de resulterende fotoakoestische golven worden gemeten door Amerikaanse transducers. Multispectrale PAT omvat het gebruik van een instelbare laser of meerdere lasers die op verschillende golflengten werken om het weefsel te verlichten, waardoor de reconstructie van optische absorptiekaarten op meerdere golflengten mogelijk wordt. Op basis van de differentiële absorptie van zuurstofrijk en zuurstofarm hemoglobine in het nabij-infrarood (NIR) venster, kan multispectrale PAT de verdelingen van zuurstofrijke en gedeoxygeneerde hemoglobineconcentraties, de totale hemoglobineconcentratie en de bloedzuurstofverzadiging berekenen, die allemaal functionele biomarkers zijn die verband houden met tumorangiogenese en bloedoxygenatieconsumptie of tumormetabolisme. PAT heeft succes geboekt in veel oncologische toepassingen, zoals eierstokkanker 1,2, borstkanker 3,4,5, huidkanker6, schildklierkanker 7,8, baarmoederhalskanker9, prostaatkanker10,11 en colorectale kanker12.
Eierstokkanker is de dodelijkste van alle gynaecologische maligniteiten. Slechts 38% van de eierstokkankers wordt gediagnosticeerd in een vroeg (gelokaliseerd of regionaal) stadium, waar de 5-jaarsoverleving 74,2% tot 93,1% is. De meeste worden in een laat stadium gediagnosticeerd, waarvoor de 5-jaarsoverleving 30,8% of minderis 13. Huidige klinische diagnosemethoden, waaronder transvaginale echografie (TUS), Doppler US, serumkankerantigeen 125 (CA 125) en humaan epididymumeiwit 4 (HE4), blijken gevoeligheid en specificiteit te missen voor vroege diagnose van eierstokkanker 14,15,16. Bovendien kan een groot deel van de goedaardige ovariumlaesies moeilijk nauwkeurig te diagnosticeren zijn met de huidige beeldvormingstechnologieën, wat leidt tot onnodige operaties met verhoogde zorgkosten en chirurgische complicaties. Er zijn dus aanvullende nauwkeurige niet-invasieve methoden voor de risicostratificatie van adnexale massa’s nodig om het beheer en de resultaten te optimaliseren. Het is duidelijk dat een techniek nodig is die gevoelig en specifiek is voor eierstokkanker in een vroeg stadium en nauwkeuriger is in het identificeren van kwaadaardige van goedaardige laesies.
Onze groep heeft een co-geregistreerd transvaginaal US en PAT-systeem (USPAT) ontwikkeld voor de diagnose van eierstokkanker door een klinisch Amerikaans systeem, een op maat gemaakte sondemantel te combineren om de optische vezels voor lichtafgifte te huisvesten en een instelbare laser1. De totale hemoglobineconcentratie (relatieve schaal, rHbT) en de bloedzuurstofverzadiging (%sO2) afgeleid van het USPAT-systeem hebben een groot potentieel aangetoond voor de detectie van eierstokkanker in een vroeg stadium en voor het nauwkeurig diagnosticeren van ovariumlaesies voor effectieve risicobeoordeling en de vermindering van onnodige goedaardige laesieoperaties 1,2. Het huidige systeemschema is weergegeven in figuur 1 en het controleblokdiagram is weergegeven in figuur 2. Deze strategie heeft het potentieel om te worden geïntegreerd in bestaande TUS-protocollen voor de diagnose van eierstokkanker en tegelijkertijd functionele parameters (rHbT, %sO2) te bieden om de gevoeligheid en specificiteit van TUS te verbeteren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Optische verlichting
Het aantal gebruikte vezels is gebaseerd op twee factoren: uniformiteit van de lichtverlichting en complexiteit van het systeem. Het is van cruciaal belang om een uniform lichtverlichtingspatroon op het huidoppervlak te hebben om hotspots te voorkomen. Het is ook belangrijk om het systeem eenvoudig en robuust te houden met een minimaal aantal vezels. Het gebruik van vier afzonderlijke vezels is eerder optimaal gebleken voor het creëren van uniforme verlichting op diepten van enke…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het NCI (R01CA151570, R01CA237664). De auteurs bedanken de hele GYN-oncologiegroep onder leiding van Dr. Mathew Powell voor het helpen bij het werven van patiënten, radiologen Drs. Cary Siegel, William Middleton en Malak Itnai voor het helpen met de Amerikaanse studies, en de patholoog Dr. Ian Hagemann voor het helpen met de pathologie-interpretatie van de gegevens. De auteurs erkennen dankbaar de inspanningen van Megan Luther en de GYN-studiecoördinatoren bij het coördineren van de studieschema’s, het identificeren van patiënten voor de studie en het verkrijgen van geïnformeerde toestemming.
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).
