Un protocollo di ecografia e imaging fotoacustico coregistrato per l'imaging transvaginale delle lesioni ovariche

Riepilogo

Riportiamo un protocollo di ecografia e imaging fotoacustico coregistrato per l'imaging transvaginale delle lesioni ovariche/annessiali. Il protocollo può essere prezioso per altri studi di imaging fotoacustico traslazionale, in particolare quelli che utilizzano array di ultrasuoni commerciali per il rilevamento di segnali fotoacustici e algoritmi standard di beamforming a distanza e somma per l'imaging.

Abstract

Il cancro ovarico rimane il più mortale di tutti i tumori maligni ginecologici a causa della mancanza di strumenti di screening affidabili per la diagnosi precoce. L'imaging fotoacustico o la tomografia (PAT) è una modalità di imaging emergente che può fornire la concentrazione totale di emoglobina (scala relativa, rHbT) e la saturazione di ossigeno nel sangue (%sO2) delle lesioni ovariche/annessiali, che sono parametri importanti per la diagnosi del cancro. In combinazione con l'ecografia coregistrata (US), PAT ha dimostrato un grande potenziale per rilevare i tumori ovarici e per diagnosticare accuratamente le lesioni ovariche per un'efficace valutazione del rischio e la riduzione di interventi chirurgici non necessari di lesioni benigne. Tuttavia, i protocolli di imaging PAT nelle applicazioni cliniche, per quanto ne sappiamo, variano ampiamente tra i diversi studi. Qui, riportiamo un protocollo di imaging del cancro ovarico transvaginale che può essere utile per altri studi clinici, in particolare quelli che utilizzano array di ultrasuoni commerciali per il rilevamento di segnali fotoacustici e algoritmi standard di beamforming a ritardo e somma per l'imaging.

Introduzione

L'imaging fotoacustico o tomografia (PAT) è una modalità di imaging ibrida che misura la distribuzione dell'assorbimento ottico a risoluzione e profondità statunitensi ben oltre il limite di diffusione ottica tissutale (~ 1 mm). In PAT, un impulso laser di nanosecondi viene utilizzato per eccitare il tessuto biologico, causando un aumento transitorio della temperatura dovuto all'assorbimento ottico. Ciò porta ad un aumento iniziale della pressione e le onde fotoacustiche risultanti vengono misurate dai trasduttori statunitensi. La PAT multispettrale prevede l'uso di un laser sintonizzabile o di laser multipli che operano a diverse lunghezze d'onda per illuminare il tessuto, consentendo così la ricostruzione di mappe di assorbimento ottico a più lunghezze d'onda. Sulla base dell'assorbimento differenziale dell'emoglobina ossigenata e deossigenata nella finestra del vicino infrarosso (NIR), la PAT multispettrale può calcolare le distribuzioni delle concentrazioni di emoglobina ossigenata e deossigenata, la concentrazione totale di emoglobina e la saturazione di ossigeno nel sangue, che sono tutti biomarcatori funzionali correlati all'angiogenesi tumorale e al consumo di ossigenazione del sangue o al metabolismo tumorale. PAT ha dimostrato il successo in molte applicazioni oncologiche, come il cancro ovarico^1,2, il cancro al seno 3,4,5, il cancro della pelle⁶, il cancro della tiroide ^7,8, il cancro cervicale ⁹, il cancro alla prostata ^10,11 e il cancro del colon-retto ¹².

Il cancro ovarico è il più mortale di tutti i tumori maligni ginecologici. Solo il 38% dei tumori ovarici viene diagnosticato in una fase precoce (localizzata o regionale), dove il tasso di sopravvivenza a 5 anni è compreso tra il 74,2% e il 93,1%. La maggior parte viene diagnosticata in una fase avanzata, per la quale il tasso di sopravvivenza a 5 anni è del 30,8% o meno¹³. Gli attuali metodi di diagnosi clinica, tra cui l'ecografia transvaginale (TUS), Doppler US, l'antigene del cancro sierico 125 (CA 125) e la proteina 4 dell'epididimo umano (HE4), hanno dimostrato di mancare di sensibilità e specificità per la diagnosi precoce del cancro ovarico^14,15,16. Inoltre, una grande porzione di lesioni ovariche benigne può essere difficile da diagnosticare con precisione con le attuali tecnologie di imaging, il che porta a interventi chirurgici non necessari con aumento dei costi sanitari e complicanze chirurgiche. Pertanto, sono necessari ulteriori metodi accurati e non invasivi per la stratificazione del rischio delle masse annessiali per ottimizzare la gestione e i risultati. Chiaramente, è necessaria una tecnica sensibile e specifica per il carcinoma ovarico in fase iniziale e più accurata nell'identificare le lesioni maligne da quelle benigne.

Il nostro gruppo ha sviluppato un sistema transvaginale US e PAT (USPAT) coregistrato per la diagnosi del cancro ovarico combinando un sistema clinico statunitense, una guaina sonda su misura per alloggiare le fibre ottiche per l'erogazione della luce e un laser sintonizzabile¹. La concentrazione totale di emoglobina (scala relativa, rHbT) e la saturazione di ossigeno nel sangue (%sO2) derivata dal sistema USPAT hanno dimostrato un grande potenziale per l'individuazione di tumori ovarici in stadio iniziale e per la diagnosi accurata delle lesioni ovariche per un'efficace valutazione del rischio e la riduzione di interventi chirurgici non necessari sulle lesioni benigne ^1,2. Lo schema di sistema corrente è illustrato nella Figura 1 e il diagramma dei blocchi di controllo è mostrato nella Figura 2. Questa strategia ha il potenziale per essere integrata nei protocolli TUS esistenti per la diagnosi del cancro ovarico, fornendo al contempo parametri funzionali (rHbT, %sO2) per migliorare la sensibilità e la specificità della TUS.

Protocollo

Tutte le ricerche eseguite sono state approvate dal Washington University Institutional Review Board.

1. Configurazione del sistema: illuminazione ottica (Figura 1)

1. Utilizzare un laser Nd:YAG pompando un laser T-zaffiro pulsato sintonizzabile (690-890 nm) a 10 Hz.
2. Espandere il raggio laser prima divergendo il raggio con una lente plano-concava e poi collimando il fascio con una lente plano-convessa. Utilizzare due specchi per dirigere il raggio su un beam splitter (descritto di seguito).
3. Dividere il raggio laser espanso in quattro fasci con uguale energia dividendo il raggio originale in due con uno splitter di fascio polarizzatore e quindi dividendo i due raggi con altri due beam splitter di secondo stadio.
4. Montare quattro fibre ottiche multimodali con mandrini in fibra.
5. Utilizzare quattro lenti plano-convesse per focalizzare i quattro raggi laser nelle quattro fibre.
6. A causa di considerazioni di sicurezza laser, coprire tutti i componenti ottici sotto una scatola metallica per garantire che il percorso ottico non sia esposto.
7. Attaccare le altre estremità delle quattro fibre alla sonda ecografica transvaginale e racchiudere la sonda e le fibre in una guaina protettiva.
   NOTA: La guaina e la finestra acustica del trasduttore sono rivestite con vernice bianca altamente riflettente per migliorare l'uniformità dell'illuminazione. Questa configurazione, che include l'uso di quattro fibre per la consegna della luce, ha precedentemente dimostrato di essere ottimale per le applicazioni transvaginali¹⁷. Per ulteriori informazioni, vedere la discussione.

2. Configurazione del sistema: schema di rilevamento e scansione ad ultrasuoni

1. Utilizzare un sistema clinico US programmabile.
   NOTA: Un sistema programmabile significa che i dati ecografici grezzi sono accessibili e possono essere programmati protocolli di acquisizione dati personalizzati e algoritmi di elaborazione.
2. Collegare un monitor aggiuntivo al sistema statunitense per eseguire il software di visualizzazione USPAT per la visualizzazione in tempo reale delle mappe rHbT, %sO2 e altri parametri funzionali.
3. Collegare il trigger interno del laser al trigger esterno del sistema statunitense.
4. Utilizzare un approccio di multiplexing a divisione di tempo durante la modalità coregistrata; in particolare, per ogni lunghezza d'onda, acquisire sequenzialmente cinque fotogrammi PAT consecutivi e un fotogramma USA coregistrato. Calcola la media dei fotogrammi PAT per migliorare il rapporto segnale-rumore. Il tempo totale di acquisizione dei dati per quattro lunghezze d'onda è di circa 15 s.

3. Calibrazione del sistema

1. Impostare l'energia della pompa laser su un livello fisso.
2. Per ciascuna lunghezza d'onda (750 nm, 780 nm, 800 nm e 830 nm), controllare l'energia in uscita per impulso su ciascuna punta della fibra per assicurarsi che la densità di energia calcolata a ciascuna lunghezza d'onda selezionata sia al valore atteso indicato nella Tabella 1.
3. Se la produzione di energia è inferiore al previsto, regolare con precisione l'allineamento ottico regolando gli angoli dello specchio e del beam splitter. Questo passaggio non è sempre necessario.
4. Ripetere i passaggi 3.2-3.4 fino a quando l'energia è soddisfacente.
5. Registrare l'energia prodotta dalle quattro fibre a ciascuna lunghezza d'onda e immettere i valori nel software di visualizzazione USPAT.
   NOTA: questi valori vengono utilizzati per calibrare il calcolo di rHbT. L'energia del laser fluttua nel tempo e la calibrazione assicura che i parametri quantitativi calcolati dai dati PAT multispettrali siano il più accurati possibile.

4. Una procedura sperimentale di esempio: imaging USPAT transvaginale dell'ovaio umano

1. Preparazione del sistema di imaging USPAT
   1. Disinfettare la sonda US endocavità e la guaina di copertura con il protocollo standard di pulizia della sonda ad ultrasuoni presso l'istituto.
   2. Accendere il sistema clinico US, avviare il software di sistema US e selezionare il trasduttore US corretto.
   3. Calibrare il sistema laser come al punto 3.
   4. Immettere l'energia totale dell'impulso per ogni lunghezza d'onda nel software di visualizzazione USPAT.
   5. Assemblare la sonda USPAT racchiudendo le fibre e la sonda all'interno della guaina della sonda.
2. Preparazione del paziente
   1. Seguire il protocollo specifico dell'istituto per ottenere il consenso informato e preparare il paziente.
3. Imaging
   1. Individuare l'ovaio bersaglio utilizzando pulse-echo US.
      NOTA: Questo passaggio viene eseguito dal medico dello studio, che è libero di regolare i parametri di imaging sulla macchina clinica US, come la profondità, la gamma dinamica e il TGC.
   2. Selezionare la profondità desiderata nel software di controllo USPAT.
   3. Fare clic su Scansione nel software di controllo per avviare l'acquisizione dati USPAT B-mode coregistrata. Guarda il software di visualizzazione delle immagini USPAT per rivedere le immagini in modalità B statunitensi e PAT coregistrate e le mappe funzionali ricostruite in tempo reale.
   4. Ripetere i passaggi 4.3.1-4.3.3 per acquisire più immagini e (se necessario) visualizzare la seconda lesione.

Risultati

Qui, mostriamo esempi di lesioni ovariche maligne e normali ripresi da USPAT. La Figura 3 mostra una donna in premenopausa di 50 anni con masse annessali multicistiche bilaterali rivelate da TC con mezzo di contrasto. La Figura 3A mostra l'immagine statunitense degli annessi sinistri con il ROI che segna il nodulo solido sospetto all'interno della lesione cistica. La Figura 3B mostra la mappa PAT rHbT sovrapposta agli Stati Uniti e ...

Discussione

Illuminazione ottica
Il numero di fibre utilizzate si basa su due fattori: uniformità dell'illuminazione della luce e complessità del sistema. È fondamentale avere un modello di illuminazione uniforme della luce sulla superficie della pelle per evitare punti caldi. È anche importante mantenere il sistema semplice e robusto con un numero minimo di fibre. L'uso di quattro fibre separate ha precedentemente dimostrato di essere ottimale per creare un'illuminazione uniforme a profondità di diversi mil...

Materiali

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