Um Protocolo de Ultrassonografia e Imagem Fotoacústica Co-Registrado para a Imagem Transvaginal de Lesões Ovarianas

Summary

Relatamos um protocolo de ultrassonografia e fotoacústica co-registrado para a imagem transvaginal de lesões ovarianas/anexiais. O protocolo pode ser valioso para outros estudos de imagem fotoacústica translacional, especialmente aqueles que utilizam matrizes de ultrassom comerciais para a detecção de sinais fotoacústicos e algoritmos padrão de formação de feixe de atraso e soma para imagens.

Abstract

O câncer de ovário continua sendo a mais mortal de todas as neoplasias ginecológicas devido à falta de ferramentas de triagem confiáveis para detecção e diagnóstico precoces. A imagem fotoacústica ou tomografia (PAT) é uma modalidade de imagem emergente que pode fornecer a concentração total de hemoglobina (escala relativa, rHbT) e a saturação de oxigênio no sangue (%sO2) de lesões ovarianas/anexiais, que são parâmetros importantes para o diagnóstico de câncer. Combinado com a ultrassonografia (US) co-registrada, o PAT demonstrou grande potencial para detectar cânceres de ovário e para diagnosticar com precisão lesões ovarianas para avaliação de risco eficaz e redução de cirurgias desnecessárias de lesões benignas. No entanto, os protocolos de imagem PAT em aplicações clínicas, até onde sabemos, variam muito entre os diferentes estudos. Aqui, relatamos um protocolo de imagem de câncer de ovário transvaginal que pode ser benéfico para outros estudos clínicos, especialmente aqueles que usam matrizes de ultrassom comerciais para a detecção de sinais fotoacústicos e algoritmos padrão de formação de feixe de atraso e soma para imagens.

Introduction

A imagem fotoacústica ou tomografia (PAT) é uma modalidade de imagem híbrida que mede a distribuição da absorção óptica na resolução e profundidades dos EUA muito além do limite de difusão óptica tecidual (~ 1 mm). No PAT, um pulso de laser de nanossegundos é usado para excitar o tecido biológico, causando um aumento transitório da temperatura devido à absorção óptica. Isso leva a um aumento de pressão inicial, e as ondas fotoacústicas resultantes são medidas por transdutores de US. O PAT multiespectral envolve o uso de um laser ajustável ou múltiplos lasers operando em diferentes comprimentos de onda para iluminar o tecido, permitindo assim a reconstrução de mapas de absorção óptica em vários comprimentos de onda. Com base na absorção diferencial de hemoglobina oxigenada e desoxigenada na janela do infravermelho próximo (NIR), o PAT multiespectral pode calcular as distribuições das concentrações de hemoglobina oxigenada e desoxigenada, a concentração total de hemoglobina e a saturação de oxigênio no sangue, que são todos biomarcadores funcionais relacionados à angiogênese tumoral e ao consumo de oxigenação sanguínea ou metabolismo tumoral. O PAT tem demonstrado sucesso em muitas aplicações oncológicas, como câncer de ovário^1,2, câncer de mama 3,4,5, câncer de pele⁶, câncer de tireoide^7,8, câncer de colo do útero⁹, câncer ^de próstata^10,11 e câncer colorretal¹².

O câncer de ovário é a mais mortal de todas as malignidades ginecológicas. Apenas 38% dos cânceres de ovário são diagnosticados em um estágio precoce (localizado ou regional), onde a taxa de sobrevida em 5 anos é de 74,2% a 93,1%. A maioria é diagnosticada em um estágio tardio, para o qual a taxa de sobrevida em 5 anos é de 30,8% ou menos¹³. Os métodos atuais de diagnóstico clínico, incluindo ultrassonografia transvaginal (UST), US Doppler, antígeno do câncer sérico 125 (CA 125) e proteína 4 do epidídimo humano (HE4), mostram-se carentes de sensibilidade e especificidade para o diagnóstico precoce do câncer de ovário^14,15,16. Além disso, uma grande parte das lesões ovarianas benignas pode ser difícil de diagnosticar com precisão com as tecnologias de imagem atuais, o que leva a cirurgias desnecessárias com aumento dos custos de saúde e complicações cirúrgicas. Assim, métodos não invasivos precisos adicionais para a estratificação de risco de massas anexiais são necessários para otimizar o manejo e os resultados. Claramente, uma técnica que seja sensível e específica para o câncer de ovário em estágio inicial e mais precisa na identificação de lesões malignas de benignas é necessária.

Nosso grupo desenvolveu um sistema transvaginal de US e PAT co-registrado (USPAT) para o diagnóstico de câncer de ovário, combinando um sistema clínico de EUA, uma bainha de sonda personalizada para abrigar as fibras ópticas para entrega de luz e um laser ajustável¹. A concentração total de hemoglobina (escala relativa, rHbT) e a saturação de oxigênio no sangue (%sO2) derivada do sistema USPAT têm demonstrado grande potencial para a detecção de cânceres de ovário em estágio inicial e para o diagnóstico preciso de lesões ovarianas para avaliação eficaz do risco e redução de cirurgias desnecessárias de lesões benignas ^1,2. O esquema atual do sistema é mostrado na Figura 1 e o diagrama de blocos de controle é mostrado na Figura 2. Essa estratégia tem o potencial de ser integrada aos protocolos existentes de UST para o diagnóstico do câncer de ovário, ao mesmo tempo em que fornece parâmetros funcionais (rHbT, %sO2) para melhorar a sensibilidade e a especificidade da UST.

Protocol

Toda a pesquisa realizada foi aprovada pelo Conselho de Revisão Institucional da Universidade de Washington. 1. Configuração do sistema: Iluminação óptica (Figura 1) Use um laser Nd:YAG bombeando um laser de safira Ti-safira pulsado e ajustável (690-890 nm) a 10 Hz. Expanda o feixe de laser primeiro divergindo o feixe com uma lente plano-côncava e, em seguida, colimando o feixe com uma lente plano-conve…

Representative Results

Aqui, mostramos exemplos de lesões ovarianas malignas e normais fotografadas pelo USPAT. A Figura 3 mostra uma mulher na pré-menopausa de 50 anos com massas anexiais multicísticas bilaterais reveladas pela TC com contraste. A Figura 3A mostra a imagem US dos anexos esquerdos com o ROI marcando o nódulo sólido suspeito dentro da lesão cística. A Figura 3B mostra o mapa PAT rHbT sobreposto aos EUA e mostrado em vermelho. A rHbT…

Discussion

Iluminação óptica
O número de fibras utilizadas é baseado em dois fatores: uniformidade da iluminação luminosa e complexidade do sistema. É fundamental ter um padrão uniforme de iluminação de luz na superfície da pele para evitar pontos quentes. Também é importante manter o sistema simples e robusto, com um número mínimo de fibras. O uso de quatro fibras separadas já se mostrou ideal para criar iluminação uniforme em profundidades de vários milímetros e além. Além disso, o acopl…

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