Yumurtalık Lezyonlarının Transvajinal Görüntülenmesi için Kolikasyonlu Ultrason ve Fotoakustik Görüntüleme Protokolü

Özet

Bu yazıda over / adneksiyal lezyonların transvajinal görüntülemesi için kokayıtlı ultrason ve fotoakustik görüntüleme protokolü sunulmuştur. Protokol, diğer translasyonel fotoakustik görüntüleme çalışmaları, özellikle fotoakustik sinyallerin tespiti için ticari ultrason dizileri ve görüntüleme için standart gecikme ve toplam hüzmeleme algoritmaları kullananlar için değerli olabilir.

Özet

Yumurtalık kanseri, erken teşhis ve tanı için güvenilir tarama araçlarının bulunmaması nedeniyle tüm jinekolojik malignitelerin en ölümcül olanı olmaya devam etmektedir. Fotoakustik görüntüleme veya tomografi (PAT), kanser tanısında önemli parametreler olan yumurtalık/adneksiyal lezyonların toplam hemoglobin konsantrasyonunu (nispi ölçek, rHbT) ve kan oksijen satürasyonunu (%sO2) sağlayabilen yeni bir görüntüleme yöntemidir. Kokayıtlı ultrason (US) ile kombine edildiğinde PAT, yumurtalık kanserlerini tespit etmek ve etkili risk değerlendirmesi ve benign lezyonların gereksiz ameliyatlarının azaltılması için yumurtalık lezyonlarını doğru bir şekilde teşhis etmek için büyük potansiyel göstermiştir. Bununla birlikte, klinik uygulamalarda PAT görüntüleme protokolleri, bildiğimiz kadarıyla, farklı çalışmalar arasında büyük ölçüde farklılık göstermektedir. Burada, diğer klinik çalışmalara, özellikle fotoakustik sinyallerin tespiti için ticari ultrason dizileri ve görüntüleme için standart gecikme ve toplam hüzmeleme algoritmaları kullananlara faydalı olabilecek bir transvajinal yumurtalık kanseri görüntüleme protokolü sunuyoruz.

Giriş

Fotoakustik görüntüleme veya tomografi (PAT), ABD çözünürlüğünde ve doku optik difüzyon sınırının (~ 1 mm) çok ötesindeki derinliklerde optik absorpsiyon dağılımını ölçen hibrit bir görüntüleme yöntemidir. PAT'ta, biyolojik dokuyu uyarmak için nanosaniyelik bir lazer darbesi kullanılır ve optik emilim nedeniyle geçici bir sıcaklık artışına neden olur. Bu, başlangıçta basınç artışına yol açar ve ortaya çıkan fotoakustik dalgalar ABD dönüştürücüleri tarafından ölçülür. Multispektral PAT, dokuyu aydınlatmak için ayarlanabilir bir lazerin veya farklı dalga boylarında çalışan çoklu lazerlerin kullanılmasını içerir, böylece optik absorpsiyon haritalarının çoklu dalga boylarında yeniden yapılandırılmasını sağlar. Yakın kızılötesi (NIR) penceresinde oksijenli ve deoksijenli hemoglobinin diferansiyel emilimine dayanarak, multispektral PAT, tümör anjiyogenezi ve kan oksijenasyon tüketimi veya tümör metabolizması ile ilgili fonksiyonel biyobelirteçler olan oksijenli ve deoksijenli hemoglobin konsantrasyonlarının, toplam hemoglobin konsantrasyonunun ve kan oksijen doygunluğunun dağılımlarını hesaplayabilir. PAT, yumurtalık kanseri ^1,2, meme kanseri ^3,4,5, cilt kanseri ⁶, tiroid kanseri ^7,8, rahim ağzı kanseri⁹, prostat kanseri ^10,11 ve kolorektal kanser¹² gibi birçok onkoloji uygulamasında başarı göstermiştir.

Yumurtalık kanseri tüm jinekolojik malignitelerin en ölümcül olanıdır. Yumurtalık kanserlerinin sadece% 38'i erken (lokalize veya bölgesel) bir aşamada teşhis edilir, burada 5 yıllık sağkalım oranı% 74.2 ila% 93.1'dir. Çoğu, 5 yıllık sağkalım oranının% 30.8 veya daha az¹³ olduğu geç bir aşamada teşhis edilir. Transvajinal ultrasonografi (TUS), Doppler US, serum kanser antijeni 125 (CA 125) ve insan epididim protein 4 (HE4) dahil olmak üzere güncel klinik tanı yöntemlerinin erken over kanseri tanısı için duyarlılık ve özgüllükten yoksun olduğu gösterilmiştir^14,15,16. Ek olarak, iyi huylu over lezyonlarının büyük bir kısmının mevcut görüntüleme teknolojileri ile doğru bir şekilde teşhis edilmesi zor olabilir, bu da artan sağlık maliyetleri ve cerrahi komplikasyonlarla gereksiz ameliyatlara yol açmaktadır. Bu nedenle, yönetimi ve sonuçları optimize etmek için adneksiyal kitlelerin risk tabakalaşması için ek doğru non-invaziv yöntemlere ihtiyaç vardır. Açıkçası, erken evre yumurtalık kanserine duyarlı ve spesifik olan ve benign lezyonlardan malign tanımlamada daha doğru bir tekniğe ihtiyaç vardır.

Grubumuz, klinik bir ABD sistemini, ışık dağıtımı için optik fiberleri barındırmak için özel yapım bir prob kılıfını ve ayarlanabilir bir lazer^1'i birleştirerek yumurtalık kanseri tanısı için ortak kayıtlı bir transvajinal US ve PAT sistemi (USPAT) geliştirmiştir. USPAT sisteminden türetilen toplam hemoglobin konsantrasyonu (nispi ölçek, rHbT) ve kan oksijen satürasyonu (%sO2), erken evre yumurtalık kanserlerinin tespiti ve etkili risk değerlendirmesi ve gereksiz benign lezyon ameliyatlarının azaltılması için yumurtalık lezyonlarının doğru teşhisi için büyük potansiyel göstermiştir ^1,2. Geçerli sistem şeması Şekil 1'de, kontrol bloğu diyagramı ise Şekil 2'de gösterilmiştir. Bu strateji, yumurtalık kanseri tanısı için mevcut TUS protokollerine entegre edilme potansiyeline sahipken, TUS'un duyarlılığını ve özgüllüğünü artırmak için fonksiyonel parametreler (rHbT, %sO2) sağlamaktadır.

Protokol

Yapılan tüm araştırmalar Washington Üniversitesi Kurumsal İnceleme Kurulu tarafından onaylanmıştır.

1. Sistem konfigürasyonu: Optik aydınlatma (Şekil 1)

1. 10 Hz'de darbeli, ayarlanabilir (690-890 nm) Ti-safir lazer pompalayan bir Nd:YAG lazer kullanın.
2. Önce ışını plano-içbükey bir lensle ayırarak ve ardından ışını bir plano-dışbükey lensle harmanlayarak lazer ışınını genişletin. Kirişi bir kiriş ayırıcıya yönlendirmek için iki ayna kullanın (aşağıda açıklanmıştır).
3. Genişletilmiş lazer ışınını, orijinal ışını polarize edici bir ışın ayırıcı ile ikiye bölerek ve ardından iki ışını iki ikinci aşama ışın ayırıcı ile bölerek eşit enerjiye sahip dört ışına bölün.
4. Dört adet çok modlu optik fiberi fiber aynalarla bağlayın.
5. Dört lazer ışınını dört fibere odaklamak için dört plano-dışbükey lens kullanın.
6. Lazer güvenliği hususları nedeniyle, optik yolun açığa çıkmadığından emin olmak için tüm optik bileşenleri metal bir kutunun altına koyun.
7. Dört lifin diğer uçlarını transvajinal ultrason probuna takın ve probu ve lifleri koruyucu bir kılıf içine alın.
   NOT: Dönüştürücünün kılıfı ve akustik penceresi, aydınlatma homojenliğini artırmak için oldukça yansıtıcı beyaz boya ile kaplanmıştır. Işık dağıtımı için dört lifin kullanımını da içeren bu kurulumun daha önce transvajinal uygulamalar için en uygun olduğu gösterilmiştir¹⁷. Daha fazla bilgi için tartışmaya bakın.

2. Sistem yapılandırması: Ultrasonik algılama ve tarama şeması

1. Programlanabilir bir klinik ABD sistemi kullanın.
   NOT: Programlanabilir bir sistem, ham ultrason verilerine erişilebileceği ve özel veri toplama protokollerinin ve işleme algoritmalarının programlanabileceği anlamına gelir.
2. rHbT, %sO2 haritaları ve diğer işlevsel parametrelerin gerçek zamanlı görselleştirilmesi için USPAT ekran yazılımını çalıştırmak üzere ABD sistemine ek bir monitör bağlayın.
3. Lazerin dahili tetiğini ABD sisteminin dış tetiğine bağlayın.
4. Birlikte kayıtlı mod sırasında zaman bölmeli çoklama yaklaşımı kullanın; Özellikle, her dalga boyu için, sırayla beş ardışık PAT çerçevesi ve bir ortak kayıtlı ABD çerçevesi elde edin. Sinyal-gürültü oranını artırmak için PAT karelerinin ortalamasını alın. Dört dalga boyu için toplam veri toplama süresi yaklaşık 15 s'dir.

3. Sistem kalibrasyonu

1. Lazer pompası enerjisini sabit bir seviyeye ayarlayın.
2. Her dalga boyu için (750 nm, 780 nm, 800 nm ve 830 nm), seçilen her dalga boyunda hesaplanan enerji yoğunluğunun Tablo 1'de verilen beklenen değerde olduğundan emin olmak için her fiber ucundaki darbe başına enerji çıkışını kontrol edin.
3. Enerji çıkışı beklenenden düşükse, ayna ve ışın ayırıcı açılarını ayarlayarak optik hizalamada ince ayar yapın. Bu adım her zaman gerekli değildir.
4. Enerji tatmin edici olana kadar 3.2-3.4 arasındaki adımları yineleyin.
5. Dört fiberin enerji çıkışını her dalga boyunda kaydedin ve USPAT ekran yazılımındaki değerleri girin.
   NOT: Bu değerler, rHbT'nin hesaplanmasını kalibre etmek için kullanılır. Lazer enerjisi zamanla dalgalanır ve kalibrasyon, multispektral PAT verilerinden hesaplanan nicel parametrelerin mümkün olduğunca doğru olmasını sağlar.

4. Örnek bir deneysel prosedür: İnsan yumurtalıklarının transvajinal USPAT görüntülemesi

1. USPAT görüntüleme sisteminin hazırlanması
   1. Endokavite US probunu ve kapak kılıfını kurumdaki standart ultrason probu temizleme protokolü ile dezenfekte edin.
   2. Klinik ABD sistemini açın, ABD sistem yazılımını başlatın ve doğru ABD dönüştürücüsünü seçin.
   3. Lazer sistemini adım 3'teki gibi kalibre edin.
   4. Her dalga boyu için toplam darbe enerjisini USPAT ekran yazılımına girin.
   5. USPAT probunu, lifleri ve probu prob kılıfının içine kapatarak monte edin.
2. Hastanın hazırlanması
   1. Bilgilendirilmiş onam almak ve hastayı hazırlamak için kuruma özgü protokolü takip edin.
3. Görüntüleme
   1. Pulse-echo US kullanarak hedef yumurtalık bulun.
      NOT: Bu adım, derinlik, dinamik aralık ve TGC gibi klinik ABD makinesindeki görüntüleme parametrelerini ayarlamakta özgür olan çalışma doktoru tarafından yapılır.
   2. USPAT kontrol yazılımında istediğiniz derinliği seçin.
   3. Ortak kayıtlı USPAT B modu veri toplamayı başlatmak için kontrol yazılımında Tara'yı tıklatın. Birlikte kayıtlı ABD ve PAT B modu görüntülerini ve yeniden yapılandırılmış işlevsel haritaları gerçek zamanlı olarak incelemek için USPAT görüntü görüntüleme yazılımını izleyin.
   4. Daha fazla görüntü elde etmek ve (gerekirse) ikinci lezyonu görüntülemek için 4.3.1-4.3.3 adımlarını tekrarlayın.

Sonuçlar

Burada, USPAT tarafından görüntülenen malign ve normal over lezyonlarının örneklerini gösteriyoruz. Şekil 3'te , kontrastlı BT ile ortaya çıkan bilateral multikistik adneksiyal kitleleri olan 50 yaşında premenopozal bir kadın görülmektedir. Şekil 3A , sol adneksin ABD görüntüsünü ve ROI'nin kistik lezyon içindeki şüpheli solid nodülü işaretlediğini göstermektedir. Şekil 3B, ABD'nin üzerine bindirilmi...

Tartışmalar

Optik aydınlatma
Kullanılan elyaf sayısı iki faktöre dayanır: ışık aydınlatma homojenliği ve sistem karmaşıklığı. Sıcak noktalardan kaçınmak için cilt yüzeyinde düzgün bir ışık aydınlatma desenine sahip olmak çok önemlidir. Sistemi minimum sayıda fiber ile basit ve sağlam tutmak da önemlidir. Dört ayrı elyafın kullanılmasının, birkaç milimetre ve ötesindeki derinliklerde düzgün aydınlatma oluşturmak için en uygun olduğu daha önce gösterilmiştir. Ek olar...

Malzemeler

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