Difúzní optická mamografie - Diffuse optical mammography

Difúzní optická mamografie
Příklad map koncentrací složek prsu prostřednictvím optické mamografie (pravý kraniokaudální pohled). Modrá šipka ukazuje na lézi. Hb znamená deoxy-hemoglobin, HbO2 pro oxy-hemoglobin, tHb pro celkový hemoglobin.[1]
Účel	zkoumání složení prsou pomocí spektrální analýzy

Difúzní optická mamografienebo jednoduše optická mamografie, se objevuje zobrazovací technika který umožňuje vyšetřování prsa složení skrz spektrální analýza. Spojuje v jednom neinvazivním nástroji schopnost implementovat rakovina prsu posouzení rizik,^[2] charakterizace léze,^[3] monitorování terapie^[4] a predikce výsledku terapie.^[5] Jedná se o aplikaci difúzní optika, která studuje šíření světla v silně difúzních médiích, jako jsou biologické tkáně, pracující v Červené a blízko infračerveného spektrální rozsah, mezi 600 a 1100 nm.^[6]

Srovnání s konvenčními zobrazovacími technikami

V současné době nejběžnější techniky zobrazování prsou jsou Rentgenová mamografie, ultrazvuk, MRI a PET.^{[Citace je zapotřebí ]}

rentgen mamografie je široce rozšířena screening prsou, díky vysokému prostorovému rozlišení^[7] a krátká doba měření. Není však citlivý na fyziologii prsu,^[8] vyznačuje se omezenou účinností při vyšetřování hustá prsa^[9] a je to škodlivé kvůli použití ionizující radiace.^[10] Ultrazvuk jsou neinvazivní a používají se zejména u mladých žen,^[11] kteří se obvykle vyznačují hustými prsy, ale interpretace snímků závisí na zkušenostech operátorky. MRI vykazuje dobrou korelaci s rozměry tumoru a je považována za nejlepší metodu pro identifikaci a charakterizaci lézí.^[12] I když neexistuje žádné ověřené dlouhodobé zdravotní riziko z magnetických polí použitých během MRI, nepoužívá se jako první vyšetřovací nástroj kvůli vysokým nákladům a zvýšené době trvání zkoušky.^[13] Konečně, PET umožňuje včasné vyhodnocení metabolických změn nádoru,^[14] ale je to velmi drahé a vyžaduje administraci radioaktivní stopovač. Z tohoto důvodu se jeho aplikace často nedoporučuje.

Naopak, optická mamografie je levná, účinná i na hustých prsou a nemá žádné vedlejší účinky, takže ji lze použít ke každodennímu sledování vývoje stavu pacienta. Je také schopen charakterizovat prsa z fyziologického hlediska.^[15] Stále se však vyvíjí, mezi výzkumnými skupinami, které se jí zabývají, chybí standardizace analýzy dat a trpí nízkým prostorovým rozlišením. Z tohoto důvodu se navrhuje „multimodální přístup“, kdy optická mamografie je komplementární s jinou konvenční technikou, takže se zlepšuje i diagnostická účinnost.^[10][15]

Fyzikální mechanismus

Fotonová migrace v difuzním médiu

Biologické tkáně jsou difuzní média, což znamená, že útlum světla během šíření je způsoben nejen vstřebávání, ale také rozptyl. První z nich souvisí s chemickým složením média a indukuje foton zničení, zatímco druhé závisí na jeho mikroskopických nehomogenitách index lomu a určuje odchylky v trajektorii fotonu.^[6] The absorpční koeficient ${ displaystyle mu _ {a}}$ představuje pravděpodobnost na jednotku délky, že dojde k absorpční události, zatímco koeficient rozptylu ${ displaystyle mu _ {s}}$ označuje pravděpodobnost na jednotku délky, že dojde k události rozptylu.^[16] Mnoho studií však odkazuje na snížený koeficient rozptylu ${ displaystyle mu _ {s} ^ {'} = mu _ {s} (1-g)}$ spíše než jednoduchý koeficient rozptylu, aby bylo možné zohlednit médium anizotropie. Faktorem je anizotropie média ${ displaystyle g}$, což je průměrný kosinus úhlové výchylky.^[6]

Šíření světla vysoce difuzním médiem je typicky popsáno heuristickým přístupem teorie radiačního transportu, na straně tzv. „difúzní aproximace „: Rozptyl se předpokládá izotropní a silně dominantní nad absorpcí. To je docela přesné například pro prsní tkáň v červeném a blízkém infračerveném spektrálním rozsahu (mezi 600 a 1100 nm), známém také jako „terapeutické okno V terapeutickém okně může světlo proniknout několik centimetrů, aby mohlo zkoumat objem při zkoušce. To je důvod, proč je migrace fotonů v biologických tkáních známá také jako „difúzní optika“.^[6]

Vztah mezi sníženým koeficientem rozptylu a vlnová délka (${ displaystyle lambda}$) pochází z Teorie Mie:^[17]

${ displaystyle mu '_ {s} = a vlevo ({ frac { lambda} { lambda _ {0}}} vpravo) ^ {- b}}$

Normalizovaná absorpční spektra experimentální složky prsu. Hb znamená deoxy-hemoglobin, HbO2 pro oxy-hemoglobin.^[1]

kde ${ displaystyle lambda _ {0}}$ je referenční vlnová délka a ${ displaystyle b}$ a ${ displaystyle a}$ odkazují na velikost středů rozptylu a jejich hustotu.

Pokud jde o absorpční koeficient, vztah s ${ displaystyle lambda}$ je zprostředkována tzv. „koeficient zániku ” ${ displaystyle epsilon _ {i} ( lambda)}$,^[18] že v kombinaci s Lambert-Beerův zákon dává

${ displaystyle mu _ {a} = součet _ {i} epsilon _ {i} ( lambda) C_ {i}}$

kde ${ displaystyle C_ {i}}$ je koncentrace i^th složka prsu. Měření ${ displaystyle mu _ {a}}$ při různých vlnových délkách lze extrapolovat koncentrace složek prsu.

Absorpční spektra složek prsu

Hlavní složky prsu jsou oxy a deoxy-hemoglobin, voda, lipidy a kolagen.^[1] Zejména kolagen byl uznán jako nezávislý rizikový faktor pro vznik rakoviny prsu.^[19]

Krev silně absorbuje v červeném spektrálním rozsahu, zatímco kolagen, voda a lipidy mají své absorpční vrcholy při vlnových délkách delších než 900 nm. Rozdíl mezi kyslíkem a deoxy-hemoglobinem je způsoben přítomností druhého velkého píku v případě oxy-hemoglobinu. Lipidy jsou charakterizovány absorpčními maximy při 930 nm a 1040 nm, zatímco vlnová délka 975 nm je citlivá na vodu. Nakonec nastane absorpční pík pro kolagen při 1030 nm.^[16][1]

Možné implementace

Difúzní optickou mamografii lze implementovat pomocí tří různých přístupů: časová doména,^[20] frekvenční doména^[21] a spojitá vlna.^[22] Kromě toho existují dvě hlavní geometrie pro provádění optického měření:

• Odrazivost: injekce a odběr se vyskytují na stejné straně prsu. Žena je obvykle náchylná nebo ohnutá dopředu a položí prsa na podpěru opatřenou otvorem, kde jsou umístěny zdroje a detektory.^[23] Nastavení jiných systémů místo toho vyžaduje, aby žena ležela na zádech a měření se provádí ruční sondou.^[24]
• Přechod: injekce a odběr se vyskytují na opačných stranách prsu. Prsa je obvykle stlačena mezi rovinnými rovnoběžnými deskami.^[25][26]

Ať už je zvolen jakýkoli přístup, jakýkoli optický mamograf musí pochopit některé základní prvky: laser zdroje, a detektor, a signální procesor.

Použití více laserových zdrojů umožňuje zkoumat zajímavé koncentrace složek prsu výběrem některých specifických vlnových délek. Detektory jsou obvykle fotonásobiče^[23] nebo lavinové fotodiody.^[27] Nakonec může být signálním procesorem zařízení pro Časově korelované počítání jednotlivých fotonů^[28] v případě časově rozlišeného optického mamografu,^[25] nebo filtr pro frekvenční modulaci v případě frekvenčních domén.^[29]

Na základě počtu a polohy zdrojů a detektorů může optický mamograf vytvářet dvojrozměrné nebo trojrozměrný mapy složek prsu.^{[Citace je zapotřebí ]}

Časová doména

v časová doména měření, jsou do prsu dodávány krátké světelné pulsy řádově stovek pikosekund a jeho optické vlastnosti jsou získávány z vlastností znovu emitovaných pulzů, které prošly zpožděním, rozšířením a útlumem.^[25][30] Časově korelované počítání jednotlivých fotonů je zásadní pro zvládnutí výstupního signálu nízké úrovně.^[28]

Frekvenční doména

v frekvenční doména měření je do prsu vstřikován signál modulovaný intenzitou a jeho optické vlastnosti jsou odvozeny od deflexe a demodulace výstupního signálu vzhledem ke vstupnímu. Měření se opakuje pro různé hodnoty frekvenční modulace.^[29][31]

Kontinuální vlna

v spojitá vlna (CW) měření, světelným zdrojem je laser s kontinuální vlnou, který jediným měřením znemožňuje oddělení příspěvků absorpce a rozptylu. Možným řešením je provádět měření v prostoru nebo úhlu. Obecně je přístup CW kombinován s frekvenční doménou, aby se posílily silné stránky obou.^[27]

Potenciální aplikace

Posouzení rizika rakoviny prsu

U hustšího prsu je větší pravděpodobnost vzniku rakoviny prsu.^[19] Hustá prsa se vyznačuje smysluplným množstvím vlákniny tkáň, relativně k tukovým. Hlavními složkami vláknité tkáně jsou voda, kolagen a hemoglobin a optická mamografie je schopna rozlišit a kvantifikovat složky tkání.^[2] Měřením koncentrací složek prsu by tedy optická mamografie mohla posoudit riziko rakoviny prsu.^[2][32][33]

Charakterizace lézí

Nádory jsou obecně vyrobeny z vláknité tkáně a na mapách složek je lze rozpoznat jako lokální skvrny s vyšší koncentrací vody, kolagenu a hemoglobinu s ohledem na okolní, většinou tukové, zdravé tkáně. Studie ukazují, že rozdíly v koncentraci ve vztahu ke zdravé tkáni jsou statisticky výraznější v případě maligních nádorů než u benigních.^[34][35] Kromě toho je koeficient rozptylu u benigních lézí obecně vyšší. Takové rozdíly naznačují, že optická mamografie by mohla charakterizovat léze prsu.^{[34][35][36][37]}

Monitorování terapie a predikce výsledku terapie

Léčba rakoviny prsu závisí na vlastnostech nádoru a stavu pacienta. Jednou z možných strategií je správa neoadjuvantní terapie, jehož cílem je zmenšit velikost nádoru před operací.^[38] Studie ukazují, že pokud je léčba účinná, pak obsah vody, kolagenu a hemoglobinu v lézi vykazuje v průběhu času klesající chování, což naznačuje, že původně vláknitá tkáň získává vlastnosti podobné té tukové.^[4][39] Optická měření v souladu s terapeutickými sezeními mohla sledovat jeho vývoj, aby bylo možné posoudit reakci pacienta na něj. Navíc se předpokládá, že účinnost terapie lze předvídat i první den léčby na základě počátečních koncentrací složek prsu.^[40][5]

Viz také

• Zobrazování prsou
• Difúzní optické zobrazování
• Optická tomografie
• Rovnice radiačního přenosu a teorie difúze pro transport fotonů v biologické tkáni
• Blízké infračervené okno v biologické tkáni
• Difúzní optika v časové oblasti
• Počítačová tomografie laserová mamografie

Reference