用于卵巢病变经阴道成像的共注册超声和光声成像方案

摘要

我们报告了一种用于卵巢/附件病变经阴道成像的共同注册超声和光声成像方案。该协议可能对其他转化光声成像研究有价值，特别是那些使用商业超声阵列检测光声信号和标准延迟和波束形成算法进行成像的研究。

摘要

卵巢癌仍然是所有妇科恶性肿瘤中最致命的，因为缺乏可靠的筛查工具进行早期发现和诊断。光声成像或断层扫描 （PAT） 是一种新兴的成像方式，可以提供卵巢/附件病变的总血红蛋白浓度（相对量表，rHbT）和血氧饱和度 （%sO2），这是癌症诊断的重要参数。结合共同注册超声（美国），PAT在检测卵巢癌和准确诊断卵巢病变方面显示出巨大的潜力，以进行有效的风险评估并减少良性病变的不必要手术。然而，据我们所知，临床应用中的PAT成像方案在不同的研究中有很大差异。在这里，我们报告了一种经阴道卵巢癌成像方案，该方案可能对其他临床研究有益，特别是那些使用商业超声阵列检测光声信号和标准延迟和波束形成算法进行成像的研究。

引言

光声成像或断层扫描 （PAT） 是一种混合成像方式，可测量美国分辨率和深度远超组织光学扩散极限 （~1 mm） 的光吸收分布。在PAT中，纳秒激光脉冲用于激发生物组织，由于光学吸收而导致瞬态温升。这导致初始压力上升，由此产生的光声波由美国换能器测量。多光谱PAT涉及使用可调谐激光器或在不同波长下工作的多个激光器来照亮组织，从而能够重建多个波长的光学吸收图。基于近红外（NIR）窗口内氧合和脱氧血红蛋白的差异吸收，多光谱PAT可以计算出氧合和脱氧血红蛋白浓度、总血红蛋白浓度和血氧饱和度的分布，这些都是与肿瘤血管生成和血液氧合消耗或肿瘤代谢相关的功能生物标志物。PAT在许多肿瘤学应用中都取得了成功，例如卵巢癌¹，²，乳腺癌³，⁴，^5，皮肤癌⁶，甲状腺癌⁷，^8，宫颈癌⁹，前列腺癌10^，11和结直肠癌¹²。

卵巢癌是所有妇科恶性肿瘤中最致命的。只有38%的卵巢癌在早期（局部或区域）阶段被诊断出来，其中5年生存率为74.2%至93.1%。大多数在晚期诊断，其 5 年生存率为 30.8% 或更低¹³.目前的临床诊断方法，包括经阴道超声检查（TUS）、多普勒超声、血清癌抗原125（CA 125）和人附睾蛋白4（HE4），被证明对早期卵巢癌诊断缺乏敏感性和特异性¹⁴，^15，16。此外，大部分良性卵巢病变可能难以用当前的成像技术准确诊断，这导致不必要的手术，增加医疗成本和手术并发症。因此，需要更多准确的非侵入性方法来对附件肿块进行风险分层，以优化管理和结果。显然，需要一种对早期卵巢癌敏感和特异性的技术，并且更准确地从良性病变中识别恶性。

我们小组通过结合临床US系统，用于容纳用于光传递的光纤的定制探针鞘和可调^{谐激光器1}，开发了用于卵巢癌诊断的经阴道US和PAT系统（USPAT）。来自USPAT系统的总血红蛋白浓度（相对量表，rHbT）和血氧饱和度（%sO2）已显示出检测早期卵巢癌和准确诊断卵巢病变以进行有效风险评估和减少不必要的良性病变手术的巨大潜力1^，2。目前的系统原理图如图1所示，控制框图如图2所示。该策略有可能整合到现有的TUS卵巢癌诊断方案中，同时提供功能参数（rHbT，%sO2）以提高TUS的敏感性和特异性。

研究方案

所有进行的研究都得到了华盛顿大学机构审查委员会的批准。

1. 系统配置:光学照明（图1）

1. 使用 Nd:YAG 激光器泵浦 10 Hz 的脉冲可调谐 （690-890 nm） 钛蓝宝石激光器。
2. 通过首先用平凹透镜发散光束，然后用平凸透镜准直光束来扩展激光束。使用两个反射镜将光束引导到分束器上（如下所述）。
3. 通过使用偏振分束器将原始光束分成两束，然后用另外两个第二级分束器将两束分开，将扩展的激光束分成四个能量相等的光束。
4. 用光纤卡盘安装四根多模光纤。
5. 使用四个平凸透镜将四个激光束聚焦到四根光纤中。
6. 出于激光安全考虑，请将金属盒下的所有光学元件覆盖，以确保光路不暴露。
7. 将四根纤维的另一端连接到经阴道超声探头上，并将探头和纤维包裹在保护鞘中。
   注意: 换能器的护套和声学窗口涂有高反射白色油漆，以提高照明均匀性。这种设置，包括使用四种纤维进行光输送，先前已被证明是经阴道应用的最佳选择¹⁷。有关详细信息，请参阅讨论。

2.系统配置:超声波检测扫描方案

1. 使用可编程的临床美国系统。
   注意:可编程系统意味着可以访问原始超声数据，并且可以对自定义数据采集协议和处理算法进行编程。
2. 将额外的监视器连接到美国系统以运行 USPAT 显示软件，以实时可视化 rHbT、%sO2 图和其他功能参数。
3. 将激光器的内部触发器连接到美国系统的外部触发器。
4. 在共注册模式下使用时分复用方法;具体地，对于每个波长，依次获取五个连续的PAT帧和一个共配准的美国帧。平均PAT帧以提高信噪比。四个波长的总数据采集时间约为 15 秒。

3. 系统校准

1. 将激光泵浦能量设置为固定水平。
2. 对于每个波长（750 nm、780 nm、800 nm 和 830 nm），检查每个光纤尖端的每脉冲能量输出，以确保每个选定波长处计算的能量密度为 表 1 中给出的期望值。
3. 如果能量输出低于预期，则通过调整反射镜和分束器角度来微调光学对准。此步骤并不总是必需的。
4. 重复步骤3.2-3.4，直到能量令人满意。
5. 记录四根光纤在每个波长下的能量输出，并在USPAT显示软件中输入值。
   注意:这些值用于校准rHbT的计算。激光能量随时间波动，校准可确保从多光谱PAT数据计算的定量参数尽可能准确。

4.实验程序样本:经阴道USPAT对人卵巢进行成像

1. 美国专利商标局成像系统的准备
   1. 在机构使用标准超声探头清洁规程对腔内US探头和盖鞘进行消毒。
   2. 打开临床US系统，启动US系统软件，选择正确的US换能器。
   3. 按照步骤3校准激光系统。
   4. 将每个波长的总脉冲能量输入 USPAT 显示软件。
   5. 通过将光纤和探头封闭在探头护套内来组装 USPAT 探头。
2. 患者的准备
   1. 遵循机构特定的方案，以获得知情同意并为患者做好准备。
3. 成像
   1. 使用脉搏超声US定位目标卵巢。
      注意:此步骤由研究医生完成，他可以自由调整临床美国机器上的成像参数，例如深度，动态范围和TGC。
   2. 在 USPAT 控制软件中选择所需的深度。
   3. 单击控制软件中的 扫描 以启动共同注册的 USPAT B 模式数据采集。观看 USPAT 图像显示软件，实时查看共配准的 US 和 PAT B 模式图像以及重建的功能图。
   4. 重复步骤4.3.1-4.3.3以获取更多图像和（如有必要）对第二个病变进行成像。

结果

在这里，我们展示了USPAT成像的恶性和正常卵巢病变的示例。图 3 显示一名 50 岁的绝经前女性，对比增强 CT 显示双侧多囊附件肿块。 图 3A 显示了左侧附件的美国图像，ROI 标记了囊性病变内的可疑实体结节。 图3B 显示了叠加在美国并以红色显示的PAT rHbT图。rHbT在1 cm至5 cm的深度范围内显示出广泛的弥漫性血管分布，水平高达17.1?...

讨论

光学照明
使用的光纤数量基于两个因素:光照明均匀性和系统复杂性。在皮肤表面具有均匀的光照明图案以避免热点至关重要。同样重要的是，用最少的光纤保持系统的简单和稳健。以前，使用四根独立的光纤已被证明是在几毫米及以上的深度产生均匀照明的最佳选择。此外，与四根光纤的光耦合相对简单和坚固，符合患者研究的需要。我们之前已经证明，使用四根1 mm芯多模光纤?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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