Un protocolo de ultrasonido e imagen fotoacústica coregistrado para la imagen transvaginal de lesiones ováricas

Resumen

Presentamos un protocolo de ecografía y fotoacústica coregistrada para la imagen transvaginal de lesiones ováricas/anexiales. El protocolo puede ser valioso para otros estudios de imágenes fotoacústicas traslacionales, especialmente aquellos que utilizan matrices de ultrasonido comerciales para la detección de señales fotoacústicas y algoritmos estándar de formación de haces de retardo y suma para imágenes.

Resumen

El cáncer de ovario sigue siendo el más mortal de todos los tumores malignos ginecológicos debido a la falta de herramientas de detección confiables para la detección temprana y el diagnóstico. La fotoimagen o tomografía (PAT) es una modalidad de imagen emergente que puede proporcionar la concentración total de hemoglobina (escala relativa, rHbT) y la saturación de oxígeno en sangre (%sO2) de las lesiones ováricas/anexiales, que son parámetros importantes para el diagnóstico del cáncer. Combinado con ultrasonido coregistrado (US), PAT ha demostrado un gran potencial para detectar cánceres de ovario y para diagnosticar con precisión las lesiones ováricas para una evaluación efectiva del riesgo y la reducción de cirugías innecesarias de lesiones benignas. Sin embargo, los protocolos de imagen PAT en aplicaciones clínicas, hasta donde sabemos, varían en gran medida entre los diferentes estudios. Aquí, informamos un protocolo de imágenes de cáncer de ovario transvaginal que puede ser beneficioso para otros estudios clínicos, especialmente aquellos que utilizan matrices de ultrasonido comerciales para la detección de señales fotoacústicas y algoritmos estándar de formación de haces de retardo y suma para imágenes.

Introducción

La imagen fotoacústica o tomografía (PAT) es una modalidad de imagen híbrida que mide la distribución de absorción óptica a resolución y profundidades de EE. UU. mucho más allá del límite de difusión óptica tisular (~ 1 mm). En PAT, se utiliza un pulso láser de nanosegundos para excitar el tejido biológico, causando un aumento transitorio de la temperatura debido a la absorción óptica. Esto conduce a un aumento de presión inicial, y las ondas fotoacústicas resultantes se miden mediante transductores estadounidenses. PAT multiespectral implica el uso de un láser sintonizable o múltiples láseres que operan en diferentes longitudes de onda para iluminar el tejido, lo que permite la reconstrucción de mapas de absorción óptica en múltiples longitudes de onda. Basado en la absorción diferencial de hemoglobina oxigenada y desoxigenada en la ventana del infrarrojo cercano (NIR), PAT multiespectral puede calcular las distribuciones de concentraciones de hemoglobina oxigenada y desoxigenada, la concentración total de hemoglobina y la saturación de oxígeno en sangre, que son todos biomarcadores funcionales relacionados con la angiogénesis tumoral y el consumo de oxigenación sanguínea o el metabolismo tumoral. PAT ha demostrado éxito en muchas aplicaciones oncológicas, como el cáncer de ovario^1,2, el cáncer de mama 3,4,5, el cáncer de piel⁶, el cáncer de tiroides ^7,8, el cáncer de cuello uterino⁹, el cáncer de próstata ^10,11 y el cáncer colorrectal ¹².

El cáncer de ovario es la más mortal de todas las neoplasias malignas ginecológicas. Solo el 38% de los cánceres de ovario se diagnostican en una etapa temprana (localizada o regional), donde la tasa de supervivencia a 5 años es de 74,2% a 93,1%. La mayoría se diagnostican en una etapa tardía, para la cual la tasa de supervivencia a 5 años es del 30,8% o menos¹³. Los métodos actuales de diagnóstico clínico, incluida la ecografía transvaginal (ETM), la ecografía Doppler US, el antígeno 125 del cáncer sérico (CA 125) y la proteína 4 del epidídimo humano (HE4), han demostrado carecer de sensibilidad y especificidad para el diagnóstico precoz del cáncer de ovario^14,15,16. Además, una gran parte de las lesiones ováricas benignas pueden ser difíciles de diagnosticar con precisión con las tecnologías de imagen actuales, lo que conduce a cirugías innecesarias con mayores costos de atención médica y complicaciones quirúrgicas. Por lo tanto, se necesitan métodos no invasivos precisos adicionales para la estratificación del riesgo de masas anexiales para optimizar el manejo y los resultados. Claramente, se necesita una técnica que sea sensible y específica para el cáncer de ovario en etapa temprana y más precisa para identificar lesiones malignas a partir de lesiones benignas.

Nuestro grupo ha desarrollado un sistema transvaginal de US y PAT (USPAT) para el diagnóstico de cáncer de ovario mediante la combinación de un sistema clínico de EE. UU., una funda de sonda hecha a medida para albergar las fibras ópticas para la entrega de luz y un láser sintonizable¹. La concentración total de hemoglobina (escala relativa, rHbT) y la saturación de oxígeno en sangre (%sO2) derivadas del sistema USPAT han demostrado un gran potencial para la detección de cánceres de ovario en estadio temprano y para el diagnóstico preciso de lesiones ováricas para la evaluación efectiva del riesgo y la reducción de cirugías innecesarias de lesiones benignas ^1,2. El esquema del sistema actual se muestra en la Figura 1 y el diagrama de bloques de control se muestra en la Figura 2. Esta estrategia tiene el potencial de integrarse en los protocolos TUS existentes para el diagnóstico del cáncer de ovario al tiempo que proporciona parámetros funcionales (rHbT, %sO2) para mejorar la sensibilidad y la especificidad de la TUS.

Protocolo

Toda la investigación realizada fue aprobada por la Junta de Revisión Institucional de la Universidad de Washington.

1. Configuración del sistema: Iluminación óptica (Figura 1)

1. Utilice un láser Nd:YAG que bombee un láser Ti-zafiro pulsado y sintonizable (690-890 nm) a 10 Hz.
2. Expanda el rayo láser divergiendo primero el haz con una lente plano-cóncava y luego colimando el haz con una lente plano-convexa. Utilice dos espejos para dirigir el haz hacia un divisor de haz (descrito a continuación).
3. Divida el rayo láser expandido en cuatro haces con igual energía dividiendo el haz original en dos con un divisor de haz polarizador y luego dividiendo los dos haces con dos divisores de haz de segunda etapa más.
4. Monte cuatro fibras ópticas multimodo con mandriles de fibra.
5. Utilice cuatro lentes plano-convexas para enfocar los cuatro rayos láser en las cuatro fibras.
6. Debido a consideraciones de seguridad del láser, cubra todos los componentes ópticos debajo de una caja de metal para asegurarse de que la trayectoria óptica no esté expuesta.
7. Conecte los otros extremos de las cuatro fibras a la sonda de ultrasonido transvaginal y encierre la sonda y las fibras en una funda protectora.
   NOTA: La cubierta y la ventana acústica del transductor están recubiertas con pintura blanca altamente reflectante para mejorar la uniformidad de la iluminación. Esta configuración, que incluye el uso de cuatro fibras para el parto ligero, demostró previamente ser óptima para aplicaciones transvaginales¹⁷. Consulte la discusión para obtener más información.

2. Configuración del sistema: Esquema de detección y escaneo ultrasónico

1. Utilice un sistema clínico programable de EE. UU.
   NOTA: Un sistema programable significa que los datos de ultrasonido sin procesar son accesibles, y se pueden programar protocolos de adquisición de datos personalizados y algoritmos de procesamiento.
2. Conecte un monitor adicional al sistema de EE. UU. para ejecutar el software de visualización USPAT para la visualización en tiempo real de los mapas de rHbT, %sO2 y otros parámetros funcionales.
3. Conecte el disparador interno del láser al disparador externo del sistema estadounidense.
4. Utilice un enfoque de multiplexación por división de tiempo durante el modo de registro conjunto; específicamente, para cada longitud de onda, adquiera secuencialmente cinco fotogramas PAT consecutivos y una trama estadounidense coregistrada. Promedia las tramas PAT para mejorar la relación señal-ruido. El tiempo total de adquisición de datos para cuatro longitudes de onda es de alrededor de 15 s.

3. Calibración del sistema

1. Ajuste la energía de la bomba láser a un nivel fijo.
2. Para cada longitud de onda (750 nm, 780 nm, 800 nm y 830 nm), verifique la salida de energía por pulso en cada punta de fibra para asegurarse de que la densidad de energía calculada en cada longitud de onda seleccionada esté en el valor esperado dado en la Tabla 1.
3. Si la producción de energía es menor de lo esperado, ajuste la alineación óptica ajustando los ángulos del espejo y del divisor de haz. Este paso no siempre es necesario.
4. Repita los pasos 3.2-3.4 hasta que la energía sea satisfactoria.
5. Registre la salida de energía de las cuatro fibras en cada longitud de onda e ingrese los valores en el software de visualización USPAT.
   NOTA: Estos valores se utilizan para calibrar el cálculo del rHbT. La energía del láser fluctúa con el tiempo, y la calibración garantiza que los parámetros cuantitativos calculados a partir de los datos PAT multiespectrales sean lo más precisos posible.

4. Un procedimiento experimental de muestra: imágenes USPAT transvaginales del ovario humano

1. Preparación del sistema de imágenes USPAT
   1. Desinfecte la sonda de endocavidad US y la funda de la cubierta con el protocolo estándar de limpieza de la sonda de ultrasonido en la institución.
   2. Encienda el sistema clínico de EE. UU., inicie el software del sistema de EE. UU. y seleccione el transductor de EE. UU. correcto.
   3. Calibre el sistema láser como en el paso 3.
   4. Introduzca la energía total del pulso para cada longitud de onda en el software de visualización USPAT.
   5. Ensamble la sonda USPAT encerrando las fibras y la sonda dentro de la funda de la sonda.
2. Preparación del paciente
   1. Siga el protocolo específico de la institución para obtener el consentimiento informado y preparar al paciente.
3. Imagenológico
   1. Localice el ovario objetivo utilizando US con eco de pulso.
      NOTA: Este paso lo realiza el médico del estudio, que es libre de ajustar los parámetros de imagen en la máquina clínica de EE. UU., como la profundidad, el rango dinámico y el TGC.
   2. Seleccione la profundidad deseada en el software de control USPAT.
   3. Haga clic en Escanear en el software de control para iniciar la adquisición de datos en modo B de USPAT coregistrada. Vea el software de visualización de imágenes USPAT para revisar las imágenes en modo B de EE. UU. y PAT y los mapas funcionales reconstruidos en tiempo real.
   4. Repita los pasos 4.3.1-4.3.3 para adquirir más imágenes y (si es necesario) obtener imágenes de la segunda lesión.

Resultados

Aquí, mostramos ejemplos de lesiones ováricas malignas y normales fotografiadas por USPAT. La Figura 3 muestra a una mujer premenopáusica de 50 años con masas anexiales multiquísticas bilaterales reveladas por TC con contraste. La Figura 3A muestra la imagen estadounidense de los anexos izquierdos con el ROI que marca el nódulo sólido sospechoso dentro de la lesión quística. La Figura 3B muestra el mapa PAT rHbT superpuest...

Discusión

Iluminación óptica
El número de fibras utilizadas se basa en dos factores: la uniformidad de la iluminación de la luz y la complejidad del sistema. Es fundamental tener un patrón de iluminación de luz uniforme en la superficie de la piel para evitar puntos calientes. También es importante mantener el sistema simple y robusto con un número mínimo de fibras. El uso de cuatro fibras separadas ha demostrado previamente ser óptimo para crear una iluminación uniforme a profundidades de varios mil...

Materiales

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