Vi rapporterer en samregistrert ultralyd- og fotoakustisk bildebehandlingsprotokoll for transvaginal avbildning av ovarie/adnexale lesjoner. Protokollen kan være verdifull for andre translasjonelle fotoakustiske bildestudier, spesielt de som bruker kommersielle ultralydarrayer for påvisning av fotoakustiske signaler og standard forsinkelses- og sumstråleformingsalgoritmer for avbildning.
Eggstokkreft er fortsatt den dødeligste av alle gynekologiske maligniteter på grunn av mangel på pålitelige screeningsverktøy for tidlig påvisning og diagnose. Fotoakustisk avbildning eller tomografi (PAT) er en fremvoksende avbildningsmodalitet som kan gi total hemoglobinkonsentrasjon (relativ skala, rHbT) og oksygenmetning i blodet (%sO2) av ovarie/adnexale lesjoner, som er viktige parametere for kreftdiagnose. Kombinert med samregistrert ultralyd (US) har PAT vist stort potensial for å oppdage eggstokkreft og for nøyaktig diagnostisering av ovarialesjoner for effektiv risikovurdering og reduksjon av unødvendige operasjoner av godartede lesjoner. Imidlertid varierer PAT-bildeprotokoller i kliniske applikasjoner, så vidt vi vet, i stor grad mellom ulike studier. Her rapporterer vi en transvaginal ovariecancer imaging protokoll som kan være gunstig for andre kliniske studier, spesielt de som bruker kommersielle ultralydarrays for påvisning av fotoakustiske signaler og standard forsinkelse-og-sum stråleformingsalgoritmer for bildebehandling.
Fotoakustisk avbildning eller tomografi (PAT) er en hybrid avbildningsmodalitet som måler den optiske absorpsjonsfordelingen ved amerikansk oppløsning og dybder langt utover vevets optiske diffusjonsgrense (~ 1 mm). I PAT brukes en nanosekund laserpuls til å opphisse biologisk vev, noe som forårsaker en forbigående temperaturstigning på grunn av optisk absorpsjon. Dette fører til en innledende trykkøkning, og de resulterende fotoakustiske bølgene måles av amerikanske transdusere. Multispektral PAT innebærer bruk av enten en justerbar laser eller flere lasere som opererer på forskjellige bølgelengder for å belyse vevet, og muliggjør dermed rekonstruksjon av optiske absorpsjonskart ved flere bølgelengder. Basert på differensialabsorpsjonen av oksygenert og deoksygenert hemoglobin i det nær-infrarøde (NIR) vinduet, kan multispektral PAT beregne fordelingen av oksygenerte og deoksygenerte hemoglobinkonsentrasjoner, den totale hemoglobinkonsentrasjonen og oksygenmetningen i blodet, som alle er funksjonelle biomarkører relatert til tumorangiogenese og oksygeneringsforbruk i blodet eller tumormetabolisme. PAT har vist suksess i mange onkologiske applikasjoner, for eksempel eggstokkreft1,2, brystkreft 3,4,5, hudkreft 6, skjoldbruskkjertelkreft7,8, livmorhalskreft 9, prostatakreft 10,11 og kolorektal kreft 12.
Eggstokkreft er den dødeligste av alle gynekologiske maligniteter. Bare 38% av eggstokkreft diagnostiseres på et tidlig (lokalisert eller regionalt) stadium, hvor 5-års overlevelsesraten er 74,2% til 93,1%. De fleste diagnostiseres på et sent stadium, hvor 5-års overlevelsesraten er 30,8% eller mindre13. Nåværende kliniske diagnosemetoder, inkludert transvaginal ultralyd (TUS), Doppler USA, serumkreft antigen 125 (CA 125) og humant epididymis protein 4 (HE4), er vist å mangle sensitivitet og spesifisitet for tidlig eggstokkreftdiagnose14,15,16. I tillegg kan en stor del av godartede ovarialesjoner være vanskelig å diagnostisere nøyaktig med dagens bildebehandlingsteknologi, noe som fører til unødvendige operasjoner med økte helsekostnader og kirurgiske komplikasjoner. Dermed er det behov for ytterligere nøyaktige ikke-invasive metoder for risikostratifisering av adnexalmassene for å optimalisere styringen og resultatene. Det er klart at en teknikk som er følsom og spesifikk for tidlig stadium eggstokkreft og mer nøyaktig når det gjelder å identifisere ondartet fra godartede lesjoner, er nødvendig.
Vår gruppe har utviklet et samregistrert transvaginalt amerikansk og PAT-system (USPAT) for eggstokkreftdiagnose ved å kombinere et klinisk amerikansk system, en skreddersydd sondekappe for å huse de optiske fibrene for lett levering, og en justerbar laser1. Den totale hemoglobinkonsentrasjonen (relativ skala, rHbT) og oksygenmetningen i blodet (%sO2) avledet fra USPAT-systemet har vist stort potensial for påvisning av eggstokkreft i tidlig stadium og for nøyaktig diagnostisering av ovarialesjoner for effektiv risikovurdering og reduksjon av unødvendige godartede lesjonsoperasjoner 1,2. Gjeldende systemskjema er vist i figur 1, og kontrollblokkdiagrammet er vist i figur 2. Denne strategien har potensial til å bli integrert i eksisterende TUS-protokoller for eggstokkreftdiagnose, samtidig som den gir funksjonelle parametere (rHbT, %sO2) for å forbedre sensitiviteten og spesifisiteten til TUS.
Optisk belysning
Antall fibre som brukes er basert på to faktorer: lysbelysning, ensartethet og systemkompleksitet. Det er viktig å ha et jevnt lysbelysningsmønster på hudoverflaten for å unngå varme flekker. Det er også viktig å holde systemet enkelt og robust med et minimalt antall fibre. Bruken av fire separate fibre har tidligere vist seg å være optimal for å skape jevn belysning på dybder på flere millimeter og utover. I tillegg er lyskoblingen til fire optiske fibre relativt enkel o…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av NCI (R01CA151570, R01CA237664). Forfatterne takker hele GYN onkologigruppen ledet av Dr. Mathew Powell for å hjelpe med å rekruttere pasienter, radiologer Dr. Cary Siegel, William Middleton og Malak Itnai for å hjelpe med de amerikanske studiene, og patologen Dr. Ian Hagemann for å hjelpe med patologisk tolkning av dataene. Forfatterne anerkjenner takknemlig innsatsen til Megan Luther og GYN-studiekoordinatorene i å koordinere studieplanene, identifisere pasienter for studien og innhente informert samtykke.
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 |