Ein gemeinsames Ultraschall- und photoakustisches Bildgebungsprotokoll für die transvaginale Bildgebung von Ovarialläsionen

Zusammenfassung

Wir berichten über ein koregistriertes Ultraschall- und photoakustisches Bildgebungsprotokoll für die transvaginale Bildgebung von Eierstock-/Adnexläsionen. Das Protokoll kann für andere translationale photoakustische Bildgebungsstudien wertvoll sein, insbesondere für solche, die kommerzielle Ultraschall-Arrays für die Detektion photoakustischer Signale und Standard-Delay-and-Sum-Beamforming-Algorithmen für die Bildgebung verwenden.

Zusammenfassung

Eierstockkrebs ist nach wie vor die tödlichste aller gynäkologischen Malignome, da es an zuverlässigen Screening-Instrumenten zur Früherkennung und Diagnose mangelt. Die photoakustische Bildgebung oder Tomographie (PAT) ist eine neue Bildgebungsmethode, die die Gesamthämoglobinkonzentration (relative Skala, rHbT) und die Blutsauerstoffsättigung (%sO2) von Eierstock- / Adnexläsionen liefern kann, die wichtige Parameter für die Krebsdiagnose sind. In Kombination mit koregistriertem Ultraschall (US) hat PAT ein großes Potenzial für die Erkennung von Eierstockkrebs und für die genaue Diagnose von Ovarialläsionen für eine effektive Risikobewertung und die Reduzierung unnötiger Operationen von gutartigen Läsionen gezeigt. Unseres Wissens unterscheiden sich die PAT-Bildgebungsprotokolle in klinischen Anwendungen jedoch stark zwischen verschiedenen Studien. Hier berichten wir über ein transvaginales Bildgebungsprotokoll für Eierstockkrebs, das für andere klinische Studien von Vorteil sein kann, insbesondere für solche, die kommerzielle Ultraschall-Arrays zur Erkennung photoakustischer Signale und Standard-Delay-and-Sum-Beamforming-Algorithmen für die Bildgebung verwenden.

Einleitung

Die photoakustische Bildgebung oder Tomographie (PAT) ist eine hybride Bildgebungsmodalität, die die optische Absorptionsverteilung bei US-Auflösung und Tiefen weit über die optische Diffusionsgrenze des Gewebes (~ 1 mm) hinaus misst. Bei PAT wird ein Nanosekunden-Laserpuls verwendet, um biologisches Gewebe anzuregen, was aufgrund der optischen Absorption zu einem vorübergehenden Temperaturanstieg führt. Dies führt zu einem anfänglichen Druckanstieg, und die resultierenden photoakustischen Wellen werden von US-Wandlern gemessen. Multispektraler PAT beinhaltet die Verwendung eines durchstimmbaren Lasers oder mehrerer Laser, die bei verschiedenen Wellenlängen arbeiten, um das Gewebe zu beleuchten und so die Rekonstruktion optischer Absorptionskarten bei mehreren Wellenlängen zu ermöglichen. Basierend auf der differentiellen Absorption von oxygeniertem und desoxygeniertem Hämoglobin im Nahinfrarot-Fenster (NIR) kann der multispektrale PAT die Verteilungen der oxygenierten und desoxygenierten Hämoglobinkonzentrationen, der Gesamthämoglobinkonzentration und der Blutsauerstoffsättigung berechnen, die alle funktionelle Biomarker im Zusammenhang mit der Tumorangiogenese und dem Sauerstoffverbrauch des Blutes oder dem Tumorstoffwechsel sind. PAT hat sich in vielen onkologischen Anwendungen als erfolgreich erwiesen, wie z.B. Eierstockkrebs^1,2, Brustkrebs 3,4,5, Hautkrebs ⁶, Schilddrüsenkrebs^7,8, Gebärmutterhalskrebs ⁹, Prostatakrebs ^10,11 und Darmkrebs ¹².

Eierstockkrebs ist die tödlichste aller gynäkologischen Malignome. Nur 38% der Eierstockkrebserkrankungen werden in einem frühen (lokalisierten oder regionalen) Stadium diagnostiziert, in dem die 5-Jahres-Überlebensrate zwischen 74,2% und 93,1% liegt. Die meisten werden in einem späten Stadium diagnostiziert, für das die 5-Jahres-Überlebensrate 30,8% oder weniger beträgt¹³. Aktuelle klinische Diagnosemethoden, einschließlich der transvaginalen Sonographie (TUS), des Doppler-US, des Serumkrebsantigens 125 (CA 125) und des humanen Nebenhodenproteins 4 (HE4), haben gezeigt, dass es ihnen an Sensitivität und Spezifität für die frühe Diagnose von Eierstockkrebs mangelt^14,15,16. Darüber hinaus kann es schwierig sein, einen großen Teil der gutartigen Ovarialläsionen mit den derzeitigen Bildgebungstechnologien genau zu diagnostizieren, was zu unnötigen Operationen mit erhöhten Gesundheitskosten und chirurgischen Komplikationen führt. Daher sind zusätzliche genaue nicht-invasive Methoden zur Risikostratifizierung von Adnexmassen erforderlich, um das Management und die Ergebnisse zu optimieren. Es ist klar, dass eine Technik erforderlich ist, die empfindlich und spezifisch für Eierstockkrebs im Frühstadium ist und bei der Identifizierung von bösartigen und gutartigen Läsionen genauer ist.

Unsere Gruppe hat ein co-registriertes transvaginales US- und PAT-System (USPAT) für die Diagnose von Eierstockkrebs entwickelt, indem sie ein klinisches US-System, eine maßgeschneiderte Sondenhülle zur Aufnahme der optischen Fasern für die Lichtabgabe und einen abstimmbaren Laser¹ kombiniert. Die Gesamthämoglobinkonzentration (relative Skala, rHbT) und die Blutsauerstoffsättigung (%sO2), die aus dem USPAT-System abgeleitet wurden, haben ein großes Potenzial für die Erkennung von Eierstockkrebs im Frühstadium und für die genaue Diagnose von Ovarialläsionen für eine effektive Risikobewertung und die Reduzierung unnötiger Operationen an gutartigen Läsionen gezeigt ^1,2. Der aktuelle Schaltplan des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt, und das Steuerblockdiagramm ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Strategie hat das Potenzial, in bestehende TUS-Protokolle für die Diagnose von Eierstockkrebs integriert zu werden und gleichzeitig funktionelle Parameter (rHbT, %sO2) bereitzustellen, um die Sensitivität und Spezifität von TUS zu verbessern.

Protokoll

Alle durchgeführten Forschungsarbeiten wurden vom Institutional Review Board der Washington University genehmigt.

1. Systemkonfiguration: Optische Beleuchtung (Abbildung 1)

1. Verwenden Sie einen Nd:YAG-Laser, der einen gepulsten, abstimmbaren (690-890 nm) Ti-Saphir-Laser mit 10 Hz pumpt.
2. Erweitern Sie den Laserstrahl, indem Sie den Strahl zuerst mit einer plankonkaven Linse divergieren und dann den Strahl mit einer plankonvexen Linse kollimieren. Verwenden Sie zwei Spiegel, um den Strahl auf einen Strahlteiler zu richten (siehe unten).
3. Teilen Sie den expandierten Laserstrahl in vier Strahlen mit gleicher Energie auf, indem Sie den ursprünglichen Strahl mit einem polarisierenden Strahlteiler in zwei Teile aufteilen und dann die beiden Strahlen mit zwei weiteren Strahlteilern der zweiten Stufe aufteilen.
4. Montieren Sie vier Multimode-Glasfasern mit Faserfuttern.
5. Verwenden Sie vier plankonvexe Linsen, um die vier Laserstrahlen in die vier Fasern zu fokussieren.
6. Decken Sie aus Gründen der Lasersicherheit alle optischen Komponenten unter einem Metallgehäuse ab, um sicherzustellen, dass der optische Pfad nicht freigelegt wird.
7. Befestigen Sie die anderen Enden der vier Fasern an der transvaginalen Ultraschallsonde und schließen Sie die Sonde und die Fasern in eine Schutzhülle ein.
   HINWEIS: Der Mantel und das akustische Fenster des Wandlers sind mit hochreflektierender weißer Farbe beschichtet, um die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung zu verbessern. Dieser Aufbau, einschließlich der Verwendung von vier Fasern für die Lichtabgabe, hat sich zuvor als optimal für transvaginale Anwendungen erwiesen¹⁷. Weitere Informationen finden Sie in der Diskussion.

2. Systemkonfiguration: Ultraschall-Erkennungs- und Scan-Schema

1. Verwenden Sie ein programmierbares klinisches US-System.
   HINWEIS: Ein programmierbares System bedeutet, dass die Ultraschall-Rohdaten zugänglich sind und benutzerdefinierte Datenerfassungsprotokolle und Verarbeitungsalgorithmen programmiert werden können.
2. Schließen Sie einen zusätzlichen Monitor an das US-System an, um die USPAT-Anzeigesoftware für die Echtzeitvisualisierung der rHbT-, %sO2-Karten und anderer Funktionsparameter auszuführen.
3. Verbinden Sie den internen Trigger des Lasers mit dem externen Trigger des US-Systems.
4. Verwenden Sie einen Zeitmultiplex-Ansatz während des Co-Register-Modus. Erfassen Sie für jede Wellenlänge sequenziell fünf aufeinanderfolgende PAT-Frames und einen mitregistrierten US-Frame. Mittelwert der PAT-Frames, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Die gesamte Datenerfassungszeit für vier Wellenlängen beträgt etwa 15 s.

3. Systemkalibrierung

1. Stellen Sie die Energie der Laserpumpe auf ein festes Niveau ein.
2. Überprüfen Sie für jede Wellenlänge (750 nm, 780 nm, 800 nm und 830 nm) die Energieabgabe pro Puls an jeder Faserspitze, um sicherzustellen, dass die berechnete Energiedichte bei jeder ausgewählten Wellenlänge dem in Tabelle 1 angegebenen Erwartungswert entspricht.
3. Wenn die Energieabgabe geringer als erwartet ist, passen Sie die optische Ausrichtung an, indem Sie die Spiegel- und Strahlteilerwinkel anpassen. Dieser Schritt ist nicht immer erforderlich.
4. Wiederholen Sie die Schritte 3.2-3.4, bis die Energie zufriedenstellend ist.
5. Zeichnen Sie die Energieabgabe der vier Fasern bei jeder Wellenlänge auf und geben Sie die Werte in die USPAT-Anzeigesoftware ein.
   HINWEIS: Diese Werte werden verwendet, um die Berechnung des rHbT zu kalibrieren. Die Laserenergie schwankt im Laufe der Zeit, und die Kalibrierung stellt sicher, dass die quantitativen Parameter, die aus den multispektralen PAT-Daten berechnet werden, so genau wie möglich sind.

4. Ein Beispiel für ein experimentelles Verfahren: Transvaginale USPAT-Bildgebung des menschlichen Eierstocks

1. Vorbereitung des USPAT-Bildgebungssystems
   1. Desinfizieren Sie die endokavitätische US-Sonde und die Abdeckhülle mit dem Standard-Reinigungsprotokoll der Ultraschallsonde in der Einrichtung.
   2. Schalten Sie das klinische US-System ein, starten Sie die US-Systemsoftware und wählen Sie den richtigen US-Schallkopf aus.
   3. Kalibrieren Sie das Lasersystem wie in Schritt 3.
   4. Geben Sie die Gesamtpulsenergie für jede Wellenlänge in die USPAT-Anzeigesoftware ein.
   5. Montieren Sie die USPAT-Sonde, indem Sie die Fasern und die Sonde in die Sondenhülle einschließen.
2. Vorbereitung des Patienten
   1. Befolgen Sie das einrichtungsspezifische Protokoll, um eine Einverständniserklärung zu erhalten und den Patienten vorzubereiten.
3. Bildgebung
   1. Lokalisieren Sie den Ziel-Eierstock mit Puls-Echo-US.
      HINWEIS: Dieser Schritt wird vom Prüfarzt durchgeführt, der die Bildgebungsparameter auf dem klinischen US-Gerät wie Tiefe, Dynamikumfang und TGC einstellen kann.
   2. Wählen Sie die gewünschte Tiefe in der USPAT-Steuerungssoftware aus.
   3. Klicken Sie in der Steuerungssoftware auf Scannen , um die mitregistrierte USPAT B-Mode-Datenerfassung zu starten. Sehen Sie sich die USPAT-Bildanzeigesoftware an, um die mitregistrierten US- und PAT-B-Mode-Bilder zu überprüfen und funktionale Karten in Echtzeit zu rekonstruieren.
   4. Wiederholen Sie die Schritte 4.3.1-4.3.3, um weitere Bilder aufzunehmen und (falls erforderlich) die zweite Läsion abzubilden.

Ergebnisse

Hier zeigen wir Beispiele für maligne und normale Ovarialläsionen, die von USPAT abgebildet wurden. Abbildung 3 zeigt eine 50-jährige prämenopausale Frau mit bilateralen multizystischen Adnexmassen, die durch kontrastmittelverstärkte CT aufgedeckt wurden. Abbildung 3A zeigt das US-Bild der linken Adnexe mit dem ROI, der den verdächtigen festen Knoten innerhalb der zystischen Läsion markiert. Abbildung 3B zeigt die PAT-rHbT-Ka...

Diskussion

Optische Beleuchtung
Die Anzahl der verwendeten Fasern basiert auf zwei Faktoren: der Gleichmäßigkeit der Lichtausleuchtung und der Systemkomplexität. Es ist wichtig, ein gleichmäßiges Lichtausleuchtungsmuster an der Hautoberfläche zu haben, um Hot Spots zu vermeiden. Es ist auch wichtig, das System einfach und robust mit einer minimalen Anzahl von Fasern zu halten. Die Verwendung von vier separaten Fasern hat sich bereits als optimal erwiesen, um eine gleichmäßige Ausleuchtung in Tiefen von m...

Materialien

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