En coregistered ultralyd og fotoakustisk billeddannelsesprotokol til transvaginal billeddannelse af ovarielæsioner

Summary

Vi rapporterer en coregistreret ultralyd og fotoakustisk billeddannelsesprotokol til transvaginal billeddannelse af ovarie / adnexale læsioner. Protokollen kan være værdifuld for andre translationelle fotoakustiske billeddannelsesundersøgelser, især dem, der bruger kommercielle ultralydsarrays til påvisning af fotoakustiske signaler og standard forsinkelses- og sumstråleformningsalgoritmer til billeddannelse.

Abstract

Kræft i æggestokkene er fortsat den dødeligste af alle de gynækologiske maligniteter på grund af manglen på pålidelige screeningsværktøjer til tidlig påvisning og diagnose. Fotoakustisk billeddannelse eller tomografi (PAT) er en ny billeddannelsesmodalitet, der kan tilvejebringe den samlede hæmoglobinkoncentration (relativ skala, rHbT) og iltmætning i blodet (% sO2) af æggestokke / adnexale læsioner, som er vigtige parametre for kræftdiagnose. Kombineret med coregistreret ultralyd (US) har PAT vist et stort potentiale for at detektere kræft i æggestokkene og for nøjagtigt at diagnosticere ovarielæsioner for effektiv risikovurdering og reduktion af unødvendige operationer af godartede læsioner. Imidlertid varierer PAT-billeddannelsesprotokoller i kliniske applikationer, så vidt vi ved, stort set mellem forskellige undersøgelser. Her rapporterer vi en transvaginal ovariecancerbilleddannelsesprotokol, der kan være gavnlig for andre kliniske undersøgelser, især dem, der bruger kommercielle ultralydsarrays til påvisning af fotoakustiske signaler og standard forsinkelses- og sumstråleformningsalgoritmer til billeddannelse.

Introduction

Fotoakustisk billeddannelse eller tomografi (PAT) er en hybrid billeddannelsesmodalitet, der måler den optiske absorptionsfordeling ved amerikansk opløsning og dybder langt ud over vævets optiske diffusionsgrænse (~ 1 mm). I PAT bruges en nanosekundlaserpuls til at excitere biologisk væv, hvilket forårsager en forbigående temperaturstigning på grund af optisk absorption. Dette fører til en indledende trykstigning, og de resulterende fotoakustiske bølger måles af amerikanske transducere. Multispektral PAT involverer brugen af enten en justerbar laser eller flere lasere, der arbejder ved forskellige bølgelængder for at belyse vævet, hvilket muliggør rekonstruktion af optiske absorptionskort ved flere bølgelængder. Baseret på differentiel absorption af iltet og deoxygeneret hæmoglobin i det nær-infrarøde (NIR) vindue kan multispektral PAT beregne fordelingen af iltede og deoxygenerede hæmoglobinkoncentrationer, den samlede hæmoglobinkoncentration og iltmætningen i blodet, som alle er funktionelle biomarkører relateret til tumorangiogenese og iltningsforbrug i blodet eller tumormetabolisme. PAT har vist succes i mange onkologiske applikationer, såsom kræft i æggestokkene^1,2, brystkræft 3,4,5, hudkræft ⁶, kræft i skjoldbruskkirtlen ^7,8, livmoderhalskræft⁹, prostatakræft ^10,11 og kolorektal cancer ¹².

Kræft i æggestokkene er den dødeligste af alle gynækologiske maligniteter. Kun 38% af kræft i æggestokkene diagnosticeres på et tidligt (lokaliseret eller regionalt) stadium, hvor den 5-årige overlevelsesrate er 74,2% til 93,1%. De fleste diagnosticeres på et sent stadium, hvor den 5-årige overlevelsesrate er 30,8% eller mindre¹³. Nuværende kliniske diagnosemetoder, herunder transvaginal ultralyd (TUS), Doppler US, serumcancerantigen 125 (CA 125) og humant epididymisprotein 4 (HE4), har vist sig at mangle følsomhed og specificitet til tidlig ovariecancerdiagnose^14,15,16. Derudover kan en stor del af godartede ovarielæsioner være vanskelige at diagnosticere nøjagtigt med nuværende billeddannelsesteknologier, hvilket fører til unødvendige operationer med øgede sundhedsomkostninger og kirurgiske komplikationer. Således er der behov for yderligere nøjagtige ikke-invasive metoder til risikostratificering af adnexale masser for at optimere styringen og resultaterne. Det er klart, at der er behov for en teknik, der er følsom og specifik for kræft i æggestokkene i tidlig fase og mere præcis til at identificere ondartede fra godartede læsioner.

Vores gruppe har udviklet et coregistered transvaginal US og PAT system (USPAT) til ovariecancer diagnose ved at kombinere et klinisk amerikansk system, en specialfremstillet sondekappe til at huse de optiske fibre til lyslevering og en justerbar laser¹. Den totale hæmoglobinkoncentration (relativ skala, rHbT) og iltmætningen i blodet (%sO2) afledt af USPAT-systemet har vist et stort potentiale for påvisning af kræft i æggestokkene i tidlige stadier og for nøjagtig diagnosticering af ovarielæsioner til effektiv risikovurdering og reduktion af unødvendige godartede læsionsoperationer ^1,2. Det aktuelle systemskema er vist i figur 1, og kontrolblokdiagrammet er vist i figur 2. Denne strategi har potentiale til at blive integreret i eksisterende TUS-protokoller til diagnosticering af kræft i æggestokkene, samtidig med at der tilvejebringes funktionelle parametre (rHbT, %sO2) for at forbedre følsomheden og specificiteten af TUS.

Protocol

Al den udførte forskning blev godkendt af Washington University Institutional Review Board. 1. Systemkonfiguration: Optisk belysning (figur 1) Brug en Nd:YAG-laser, der pumper en pulserende, justerbar (690-890 nm) Ti-safirlaser ved 10 Hz. Udvid laserstrålen ved først at afvige strålen med en plano-konkav linse og derefter kollidere strålen med en plano-konveks linse. Brug to spejle til at rette strålen mo…

Representative Results

Her viser vi eksempler på ondartede og normale ovarielæsioner afbildet af USPAT. Figur 3 viser en 50-årig præmenopausal kvinde med bilaterale multicystiske adnexale masser afsløret ved kontrastforstærket CT. Figur 3A viser det amerikanske billede af venstre adnexa med ROI, der markerer den mistænkelige faste knude inde i den cystiske læsion. Figur 3B viser PAT rHbT-kortet overlejret på USA og vist med rødt. rHbT viste omfa…

Discussion

Optisk belysning
Antallet af anvendte fibre er baseret på to faktorer: lysbelysning, ensartethed og systemkompleksitet. Det er vigtigt at have et ensartet lysbelysningsmønster på hudoverfladen for at undgå hot spots. Det er også vigtigt at holde systemet enkelt og robust med et minimalt antal fibre. Brugen af fire separate fibre har tidligere vist sig at være optimal til at skabe ensartet belysning på dybder på flere millimeter og derover. Derudover er lyskoblingen til fire optiske fibre relat…

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