פרוטוקול אולטרסאונד והדמיה פוטואקוסטית להדמיה טרנס-וגינלית של נגעים בשחלות
Summary
אנו מדווחים על פרוטוקול אולטרסאונד והדמיה פוטואקוסטית להדמיה טרנס-וגינלית של נגעים בשחלות/אדנקסל. הפרוטוקול עשוי להיות בעל ערך למחקרי הדמיה פוטואקוסטית תרגומית אחרים, במיוחד אלה המשתמשים במערכי אולטרסאונד מסחריים לזיהוי אותות פוטואקוסטיים ואלגוריתמים סטנדרטיים ליצירת אלומות השהיה וסכום להדמיה.
Abstract
סרטן השחלות נותר הקטלני ביותר מבין כל הממאירויות הגינקולוגיות בשל היעדר כלי סינון אמינים לגילוי ואבחון מוקדם. הדמיה פוטואקוסטית או טומוגרפיה (PAT) היא שיטת הדמיה מתפתחת שיכולה לספק את ריכוז ההמוגלובין הכולל (קנה מידה יחסי, rHbT) וריווי חמצן בדם (%sO2) של נגעים בשחלות/אדנקסלים, שהם פרמטרים חשובים לאבחון סרטן. בשילוב עם אולטרסאונד משותף (US), PAT הוכיח פוטנציאל רב לגילוי סרטן השחלות ולאבחון מדויק של נגעים בשחלות להערכת סיכונים יעילה ולהפחתת ניתוחים מיותרים של נגעים שפירים. עם זאת, פרוטוקולי הדמיה PAT ביישומים קליניים, למיטב ידיעתנו, משתנים במידה רבה בין מחקרים שונים. כאן, אנו מדווחים על פרוטוקול הדמיה של סרטן השחלות הטרנס-וגינלי שיכול להועיל למחקרים קליניים אחרים, במיוחד אלה המשתמשים במערכי אולטרסאונד מסחריים לזיהוי אותות פוטואקוסטיים ואלגוריתמים סטנדרטיים ליצירת אלומות השהיה וסכום להדמיה.
Introduction
הדמיה פוטואקוסטית או טומוגרפיה (PAT) היא שיטת הדמיה היברידית המודדת את התפלגות הבליעה האופטית ברזולוציה אמריקאית ובעומקים הרבה מעבר לגבול הדיפוזיה האופטית של הרקמה (~1 מ”מ). ב-PAT, פולס לייזר של ננו-שנייה משמש לעורר רקמה ביולוגית, וגורם לעליית טמפרטורה חולפת עקב בליעה אופטית. זה מוביל לעליית לחץ ראשונית, והגלים הפוטואקוסטיים המתקבלים נמדדים על ידי מתמרים אמריקאים. PAT מולטיספקטרלי כרוך בשימוש בלייזר מתכוונן או במספר לייזרים הפועלים באורכי גל שונים כדי להאיר את הרקמה, ובכך לאפשר שחזור של מפות בליעה אופטיות באורכי גל מרובים. בהתבסס על ספיגה דיפרנציאלית של המוגלובין מחומצן ולא מחומצן בחלון האינפרא אדום הקרוב (NIR), PAT מולטיספקטרלי יכול לחשב את ההתפלגויות של ריכוזי המוגלובין מחומצן ולא מחומצן, ריכוז ההמוגלובין הכולל וריווי החמצן בדם, שהם כולם סמנים ביולוגיים פונקציונליים הקשורים לאנגיוגנזה של הגידול ולצריכת חמצון הדם או חילוף החומרים של הגידול. PAT הוכיח הצלחה ביישומים אונקולוגיים רבים, כגון סרטן השחלות1,2, סרטן השד 3,4,5, סרטן העור6, סרטן בלוטת התריס 7,8, סרטן צוואר הרחם9, סרטן הערמונית 10,11 וסרטן המעי הגס 12.
סרטן השחלות הוא הקטלני ביותר מכל הממאירויות הגינקולוגיות. רק 38% ממקרי סרטן השחלות מאובחנים בשלב מוקדם (מקומי או אזורי), שבו שיעור ההישרדות ל-5 שנים הוא 74.2% עד 93.1%. רובם מאובחנים בשלב מאוחר, שבו שיעור ההישרדות של 5 שנים הוא 30.8% או פחות13. שיטות האבחון הקליניות הנוכחיות, כולל אולטרה-סאונד טרנס-וגינלי (TUS), דופלר ארה”ב, אנטיגן סרטן בסרום 125 (CA 125) וחלבון אפידידימיס אנושי 4 (HE4), הוכחו כחסרות רגישות וספציפיות לאבחון מוקדם של סרטן השחלות14,15,16. בנוסף, חלק גדול מנגעי השחלות השפירים עשויים להיות קשים לאבחון מדויק עם טכנולוגיות הדמיה קיימות, מה שמוביל לניתוחים מיותרים עם עלויות בריאות מוגברות וסיבוכים כירורגיים. לפיכך, יש צורך בשיטות מדויקות ולא פולשניות נוספות לריבוד הסיכון של מסות אדנקסאליות כדי לייעל את הניהול והתוצאות. ברור שיש צורך בטכניקה רגישה וספציפית לסרטן שחלות בשלב מוקדם ומדויקת יותר בזיהוי נגעים ממאירים ונגעים שפירים.
הקבוצה שלנו פיתחה מערכת משולבת של US ו-PAT (USPAT) לאבחון סרטן השחלות על ידי שילוב של מערכת קלינית בארה”ב, נדן בדיקה מותאם אישית לאחסון הסיבים האופטיים להעברת אור, ולייזר1. ריכוז ההמוגלובין הכולל (קנה מידה יחסי, rHbT) וריווי החמצן בדם ((%sO2) הנגזרים ממערכת USPAT הוכיחו פוטנציאל רב לגילוי סרטן שחלות בשלב מוקדם ולאבחון מדויק של נגעים בשחלות לצורך הערכת סיכונים יעילה והפחתת ניתוחי נגעים שפירים מיותרים 1,2. סכימת המערכת הנוכחית מוצגת באיור 1, ודיאגרמת בלוק הבקרה מוצגת באיור 2. לאסטרטגיה זו יש פוטנציאל להשתלב בפרוטוקולי TUS קיימים לאבחון סרטן השחלות תוך מתן פרמטרים פונקציונליים (rHbT, %sO2) לשיפור הרגישות והספציפיות של TUS.
Protocol
Representative Results
Discussion
תאורה אופטית
מספר הסיבים בהם נעשה שימוש מבוסס על שני גורמים: אחידות תאורת האור ומורכבות המערכת. חשוב שתהיה תבנית הארה אחידה על פני העור כדי למנוע נקודות חמות. חשוב גם לשמור על המערכת פשוטה וחזקה עם מספר מינימלי של סיבים. השימוש בארבעה סיבים נפרדים הוכח בעבר כאופטימלי ליצירת תאור…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי NCI (R01CA151570, R01CA237664). המחברים מודים לכל הקבוצה האונקולוגית הגינקולוגית בראשות ד”ר מתיו פאוול על הסיוע בגיוס חולים, לרדיולוגים ד”ר קרי סיגל, ויליאם מידלטון ומלכ איטנאי על עזרתם במחקרים בארה”ב, ולפתולוג ד”ר איאן האגמן על הסיוע בפענוח הפתולוגי של הנתונים. המחברים מודים בהכרת תודה על מאמציהם של מייגן לותר ומתאמי המחקר הגינקולוגי בתיאום לוחות הזמנים של המחקר, זיהוי מטופלים למחקר וקבלת הסכמה מדעת.
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).
