פרוטוקול אולטרסאונד והדמיה פוטואקוסטית להדמיה טרנס-וגינלית של נגעים בשחלות

Summary

אנו מדווחים על פרוטוקול אולטרסאונד והדמיה פוטואקוסטית להדמיה טרנס-וגינלית של נגעים בשחלות/אדנקסל. הפרוטוקול עשוי להיות בעל ערך למחקרי הדמיה פוטואקוסטית תרגומית אחרים, במיוחד אלה המשתמשים במערכי אולטרסאונד מסחריים לזיהוי אותות פוטואקוסטיים ואלגוריתמים סטנדרטיים ליצירת אלומות השהיה וסכום להדמיה.

Abstract

סרטן השחלות נותר הקטלני ביותר מבין כל הממאירויות הגינקולוגיות בשל היעדר כלי סינון אמינים לגילוי ואבחון מוקדם. הדמיה פוטואקוסטית או טומוגרפיה (PAT) היא שיטת הדמיה מתפתחת שיכולה לספק את ריכוז ההמוגלובין הכולל (קנה מידה יחסי, rHbT) וריווי חמצן בדם (%sO2) של נגעים בשחלות/אדנקסלים, שהם פרמטרים חשובים לאבחון סרטן. בשילוב עם אולטרסאונד משותף (US), PAT הוכיח פוטנציאל רב לגילוי סרטן השחלות ולאבחון מדויק של נגעים בשחלות להערכת סיכונים יעילה ולהפחתת ניתוחים מיותרים של נגעים שפירים. עם זאת, פרוטוקולי הדמיה PAT ביישומים קליניים, למיטב ידיעתנו, משתנים במידה רבה בין מחקרים שונים. כאן, אנו מדווחים על פרוטוקול הדמיה של סרטן השחלות הטרנס-וגינלי שיכול להועיל למחקרים קליניים אחרים, במיוחד אלה המשתמשים במערכי אולטרסאונד מסחריים לזיהוי אותות פוטואקוסטיים ואלגוריתמים סטנדרטיים ליצירת אלומות השהיה וסכום להדמיה.

Introduction

הדמיה פוטואקוסטית או טומוגרפיה (PAT) היא שיטת הדמיה היברידית המודדת את התפלגות הבליעה האופטית ברזולוציה אמריקאית ובעומקים הרבה מעבר לגבול הדיפוזיה האופטית של הרקמה (~1 מ"מ). ב-PAT, פולס לייזר של ננו-שנייה משמש לעורר רקמה ביולוגית, וגורם לעליית טמפרטורה חולפת עקב בליעה אופטית. זה מוביל לעליית לחץ ראשונית, והגלים הפוטואקוסטיים המתקבלים נמדדים על ידי מתמרים אמריקאים. PAT מולטיספקטרלי כרוך בשימוש בלייזר מתכוונן או במספר לייזרים הפועלים באורכי גל שונים כדי להאיר את הרקמה, ובכך לאפשר שחזור של מפות בליעה אופטיות באורכי גל מרובים. בהתבסס על ספיגה דיפרנציאלית של המוגלובין מחומצן ולא מחומצן בחלון האינפרא אדום הקרוב (NIR), PAT מולטיספקטרלי יכול לחשב את ההתפלגויות של ריכוזי המוגלובין מחומצן ולא מחומצן, ריכוז ההמוגלובין הכולל וריווי החמצן בדם, שהם כולם סמנים ביולוגיים פונקציונליים הקשורים לאנגיוגנזה של הגידול ולצריכת חמצון הדם או חילוף החומרים של הגידול. PAT הוכיח הצלחה ביישומים אונקולוגיים רבים, כגון סרטן השחלות^1,2, סרטן השד 3,4,5, סרטן העור⁶, סרטן בלוטת התריס ^7,8, סרטן צוואר הרחם⁹, סרטן הערמונית ^10,11 וסרטן המעי הגס ¹².

סרטן השחלות הוא הקטלני ביותר מכל הממאירויות הגינקולוגיות. רק 38% ממקרי סרטן השחלות מאובחנים בשלב מוקדם (מקומי או אזורי), שבו שיעור ההישרדות ל-5 שנים הוא 74.2% עד 93.1%. רובם מאובחנים בשלב מאוחר, שבו שיעור ההישרדות של 5 שנים הוא 30.8% או פחות¹³. שיטות האבחון הקליניות הנוכחיות, כולל אולטרה-סאונד טרנס-וגינלי (TUS), דופלר ארה"ב, אנטיגן סרטן בסרום 125 (CA 125) וחלבון אפידידימיס אנושי 4 (HE4), הוכחו כחסרות רגישות וספציפיות לאבחון מוקדם של סרטן השחלות^14,15,16. בנוסף, חלק גדול מנגעי השחלות השפירים עשויים להיות קשים לאבחון מדויק עם טכנולוגיות הדמיה קיימות, מה שמוביל לניתוחים מיותרים עם עלויות בריאות מוגברות וסיבוכים כירורגיים. לפיכך, יש צורך בשיטות מדויקות ולא פולשניות נוספות לריבוד הסיכון של מסות אדנקסאליות כדי לייעל את הניהול והתוצאות. ברור שיש צורך בטכניקה רגישה וספציפית לסרטן שחלות בשלב מוקדם ומדויקת יותר בזיהוי נגעים ממאירים ונגעים שפירים.

הקבוצה שלנו פיתחה מערכת משולבת של US ו-PAT (USPAT) לאבחון סרטן השחלות על ידי שילוב של מערכת קלינית בארה"ב, נדן בדיקה מותאם אישית לאחסון הסיבים האופטיים להעברת אור, ולייזר¹. ריכוז ההמוגלובין הכולל (קנה מידה יחסי, rHbT) וריווי החמצן בדם ((%sO2) הנגזרים ממערכת USPAT הוכיחו פוטנציאל רב לגילוי סרטן שחלות בשלב מוקדם ולאבחון מדויק של נגעים בשחלות לצורך הערכת סיכונים יעילה והפחתת ניתוחי נגעים שפירים מיותרים ^1,2. סכימת המערכת הנוכחית מוצגת באיור 1, ודיאגרמת בלוק הבקרה מוצגת באיור 2. לאסטרטגיה זו יש פוטנציאל להשתלב בפרוטוקולי TUS קיימים לאבחון סרטן השחלות תוך מתן פרמטרים פונקציונליים (rHbT, %sO2) לשיפור הרגישות והספציפיות של TUS.

Protocol

כל המחקר שבוצע אושר על ידי מועצת הביקורת המוסדית של אוניברסיטת וושינגטון.

1. תצורת מערכת: תאורה אופטית (איור 1)

1. השתמש בלייזר Nd:YAG השואב לייזר Ti-sapphire פועם ומכוון (690-890 ננומטר) ב- 10 הרץ.
2. הרחב את קרן הלייזר על ידי סטיית הקרן תחילה עם עדשה קעורה פלאנו ולאחר מכן התנגשות הקרן עם עדשה קמורה פלנו. השתמש בשתי מראות כדי לכוון את הקרן אל מפצל קרן (מתואר להלן).
3. פיצול קרן הלייזר המורחבת לארבע אלומות באנרגיה שווה על ידי פיצול הקרן המקורית לשתיים עם מפצל קרן מקטב ולאחר מכן פיצול שתי האלומות עם שני מפצלי קרן נוספים בשלב השני.
4. הרכיבו ארבעה סיבים אופטיים מרובי מצבים עם צ'אקים לסיבים.
5. השתמש בארבע עדשות פלאנו קמורות כדי למקד את ארבע קרני הלייזר לתוך ארבעת הסיבים.
6. משיקולי בטיחות לייזר, כסו את כל הרכיבים האופטיים מתחת לקופסת מתכת כדי להבטיח שהנתיב האופטי לא ייחשף.
7. חברו את הקצוות האחרים של ארבעת הסיבים לבדיקת האולטרסאונד הטרנס-וגינלי, וסגרו את הבדיקה ואת הסיבים במעטפת מגן.
   הערה: הנדן והחלון האקוסטי של המתמר מצופים בצבע לבן מחזיר אור במיוחד כדי לשפר את אחידות התאורה. מערך זה, הכולל שימוש בארבעה סיבים להעברת אור, הוכח בעבר כאופטימלי ליישומים טרנס-וגינליים¹⁷. עיין בדיון לקבלת מידע נוסף.

2. תצורת מערכת: ערכת זיהוי וסריקה קולית

1. השתמש במערכת אמריקאית קלינית ניתנת לתכנות.
   הערה: מערכת ניתנת לתכנות פירושה שנתוני האולטרסאונד הגולמיים נגישים, וניתן לתכנת פרוטוקולים מותאמים אישית לרכישת נתונים ואלגוריתמים לעיבוד.
2. חבר צג נוסף למערכת האמריקאית כדי להפעיל את תוכנת התצוגה USPAT לתצוגה חזותית בזמן אמת של rHbT, מפות %sO2 ופרמטרים פונקציונליים אחרים.
3. חבר את ההדק הפנימי של הלייזר להדק החיצוני של המערכת האמריקאית.
4. השתמש בגישת ריבוב חלוקת זמן במהלך מצב רישום משותף; באופן ספציפי, עבור כל אורך גל, לרכוש ברצף חמש מסגרות PAT רצופות ומסגרת אחת בארה"ב שנרשמה במשותף. ממוצע מסגרות PAT כדי לשפר את יחס האות לרעש. זמן איסוף הנתונים הכולל עבור ארבעה אורכי גל הוא בסביבות 15 שניות.

3. כיול המערכת

1. הגדר את אנרגיית משאבת הלייזר לרמה קבועה.
2. עבור כל אורך גל (750 ננומטר, 780 ננומטר, 800 ננומטר ו-830 ננומטר), בדוק את תפוקת האנרגיה לכל פולס בכל קצה סיב כדי לוודא שצפיפות האנרגיה המחושבת בכל אורך גל שנבחר היא בערך הצפוי המופיע בטבלה 1.
3. אם תפוקת האנרגיה נמוכה מהצפוי, כוונן את היישור האופטי על-ידי התאמת זוויות מפצל המראה והקרן. שלב זה לא תמיד נחוץ.
4. חזור על שלבים 3.2-3.4 עד שהאנרגיה משביעת רצון.
5. רשום את תפוקת האנרגיה של ארבעת הסיבים בכל אורך גל, והזן את הערכים בתוכנת התצוגה USPAT.
   הערה: ערכים אלה משמשים לכיול החישוב של rHbT. אנרגיית הלייזר משתנה עם הזמן, והכיול מבטיח שהפרמטרים הכמותיים המחושבים מנתוני ה- PAT המולטיספקטרליים מדויקים ככל האפשר.

4. הליך ניסויי לדוגמה: הדמיה USPAT Transvaginal של השחלה האנושית

1. הכנת מערכת הדמיה USPAT
   1. יש לחטא את בדיקת האנדוקוויט בארה"ב ואת נדן הכיסוי בפרוטוקול ניקוי בדיקת האולטרסאונד הסטנדרטי במוסד.
   2. הפעל את מערכת US הקלינית, הפעל את תוכנת המערכת US ובחר את המתמר US הנכון.
   3. כייל את מערכת הלייזר כמו בשלב 3.
   4. הזן את אנרגיית הפולס הכוללת עבור כל אורך גל בתוכנת התצוגה USPAT.
   5. הרכיבו את הגשושית USPAT על ידי סגירת הסיבים והגשושית בתוך נדן הבדיקה.
2. הכנת המטופל
   1. עקוב אחר הפרוטוקול הספציפי למוסד כדי לקבל הסכמה מדעת ולהכין את המטופל.
3. דימות
   1. אתר את שחלות המטרה באמצעות PULSE-echo US.
      הערה: שלב זה נעשה על ידי רופא המחקר, אשר חופשי להתאים את פרמטרי ההדמיה במכשיר האמריקאי הקליני, כגון עומק, טווח דינמי ו- TGC.
   2. בחר את העומק הרצוי בתוכנת הבקרה USPAT.
   3. לחץ על סריקה בתוכנת הבקרה כדי להתחיל את רכישת הנתונים במצב B של USPAT הרשומה במשותף. צפה בתוכנת תצוגת התמונות USPAT כדי לסקור את התמונות הרשומות במשותף של ארה"ב ו- PAT במצב B ומפות פונקציונליות משוחזרות בזמן אמת.
   4. חזור על שלבים 4.3.1-4.3.3 כדי להשיג תמונות נוספות (ואם יש צורך) תמונה של הנגע השני.

תוצאות

כאן, אנו מראים דוגמאות של נגעים ממאירים ונורמליים בשחלות שצולמו על ידי USPAT. איור 3 מראה אישה בת 50 לפני גיל המעבר עם מסות אדנקסל מולטיציסטיות דו-צדדיות שהתגלו על-ידי CT משופר בניגוד. איור 3A מראה את התמונה האמריקאית של האדנקסה השמאלית עם החזר השקעה המסמן את הגול?...

Discussion

תאורה אופטית
מספר הסיבים בהם נעשה שימוש מבוסס על שני גורמים: אחידות תאורת האור ומורכבות המערכת. חשוב שתהיה תבנית הארה אחידה על פני העור כדי למנוע נקודות חמות. חשוב גם לשמור על המערכת פשוטה וחזקה עם מספר מינימלי של סיבים. השימוש בארבעה סיבים נפרדים הוכח בעבר כאופטימלי ליצירת תאור...

Materials

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