Rozproszona mammografia optyczna

Rozproszona mammografia optyczna
Rozproszona mammografia optyczna
	Przykład mapy stężeń składników piersi za pomocą mammografii optycznej (prawy widok czaszkowo-ogonowy). Niebieska strzałka wskazuje na zmianę. Hb oznacza deoksyhemoglobinę, HbO2 oksyhemoglobinę , tHb oznacza hemoglobinę całkowitą.
Zamiar	badanie składu piersi poprzez analizę spektralną

Rozproszona mammografia optyczna lub po prostu mammografia optyczna to nowa technika obrazowania , która umożliwia badanie składu piersi poprzez analizę spektralną . Łączy w jednym nieinwazyjnym narzędziu możliwość wdrożenia raka piersi , charakterystyki zmian chorobowych, monitorowania terapii i przewidywania wyników terapii. Jest to zastosowanie optyki dyfuzyjnej , które bada propagację światła w ośrodkach silnie dyfuzyjnych, takich jak tkanki biologiczne, pracując w zakresie widma czerwieni i bliskiej podczerwieni , między 600 a 1100 nm.

Porównanie z konwencjonalnymi technikami obrazowania

Obecnie najpopularniejszymi technikami obrazowania piersi są mammografia rentgenowska , ultrasonografia , MRI i PET . ^{[ potrzebne źródło ]}

rentgenowska jest szeroko rozpowszechniona w badaniach przesiewowych piersi , dzięki wysokiej rozdzielczości przestrzennej i krótkiemu czasowi pomiaru. Nie jest jednak wrażliwa na fizjologię piersi, charakteryzuje się ograniczoną skutecznością w badaniu piersi gęstych i jest szkodliwa ze względu na zastosowanie promieniowania jonizującego . Ultradźwięki są nieinwazyjne i stosowane są zwłaszcza u młodych kobiet, które zwykle charakteryzują się gęstym biustem, jednak interpretacja obrazów zależy od doświadczenia operatora. MRI wykazuje dobrą korelację z wymiarami guza i jest uważana za najlepszą metodę identyfikacji i charakteryzacji zmian. Chociaż nie ma zweryfikowanego długoterminowego zagrożenia dla zdrowia ze strony pól magnetycznych stosowanych podczas MRI, nie jest ono używane jako pierwsze narzędzie badawcze ze względu na wysokie koszty i wydłużony czas trwania badania. Wreszcie PET pozwala na wczesną ocenę zmian metabolicznych guza, ale jest bardzo kosztowna i wymaga podania znacznika radioaktywnego . Z tego powodu jego stosowanie nie jest często zalecane.

Wręcz przeciwnie, mammografia optyczna jest tania, skuteczna również w przypadku gęstych piersi i pozbawiona jakichkolwiek skutków ubocznych, dzięki czemu może być wykorzystywana do śledzenia ewolucji stanu pacjentki na co dzień. Jest również w stanie scharakteryzować pierś z fizjologicznego punktu widzenia. Jednak będąc wciąż w fazie rozwoju, brak jest standaryzacji w analizie danych wśród zajmujących się nią grup badawczych oraz cierpi na niską rozdzielczość przestrzenną. Z tego powodu sugeruje się „podejście multimodalne”, w którym mammografia optyczna jest uzupełnieniem innej konwencjonalnej techniki, dzięki czemu poprawia się również skuteczność diagnostyczna.

Mechanizm fizyczny

Migracja fotonów w ośrodkach dyfuzyjnych

Tkanki biologiczne są ośrodkami dyfuzyjnymi , co oznacza, że tłumienie światła podczas propagacji wynika nie tylko z absorpcji , ale również z rozpraszania . To pierwsze jest związane ze składem chemicznym ośrodka i indukuje fotonu , drugie zaś zależy od mikroskopowych niejednorodności jego współczynnika załamania i determinuje odchylenia trajektorii fotonu. Współczynnik absorpcji reprezentuje prawdopodobieństwo na jednostkę długości, że zdarzenie absorpcji ma miejsce, podczas gdy współczynnik rozpraszania $mu _ {s}}$ $\$ { że zachodzi zjawisko rozpraszania. $_$ współczynnika _ prosty współczynnik rozpraszania, aby uwzględnić anizotropię ośrodka . Anizotropia ośrodka jest reprezentowana przez współczynnik $cosinusem$ odchylenia kątowego.

Propagacja światła przez wysoce dyfuzyjne ośrodki jest zwykle opisywana za pomocą heurystycznego podejścia teorii transportu radiacyjnego , po której stronie znajduje się tak zwane „ przybliżenie dyfuzji ”: zakłada się, że rozpraszanie jest izotropowe i silnie dominujące nad absorpcją. Jest to dość dokładne na przykład dla tkanki piersi, w zakresie spektralnym czerwieni i bliskiej podczerwieni (między 600 a 1100 nm), znanym również jako „ okno terapeutyczne ”. W oknie terapeutycznym światło może penetrować kilka centymetrów, dzięki czemu może eksplorować objętość podczas badania. To jest powód, dla którego migracja fotonów w tkankach biologicznych jest również nazywana „optyką rozproszoną”.

Zależność między zmniejszonym współczynnikiem rozpraszania a długością fali ( ) wywodzi się z teorii Mie : ${\ displaystyle \ lambda}$

${\ Displaystyle \ mu '_ {s} = a \ lewo ({\ Frac {\ lambda} {\ lambda _ {0}}} \ prawej) ^ {- b} }$

Znormalizowane widma absorpcyjne eksperymentalnego składnika piersi. Hb oznacza dezoksyhemoglobinę, HbO2 oksyhemoglobinę.

gdzie $jest$ długością fali odniesienia, $a$ $odpowiednio$ odnoszą do wielkości centrów rozpraszania i ich gęstości

$}$ relacji z pośredniczy tak zwany „ współczynnik ekstynkcji ” , który w połączeniu z $Displaystyle$ daje prawo Lamberta-Beera

$\ Displaystyle \ mu _ {a} = \ suma _ {i} \ epsilon _ {i} (\ lambda) C_ {i}}$

gdzie $tego$ stężeniem i- ^składnika . Mierząc $.$ , stężenia składników piersi można ekstrapolować

Widma absorpcyjne składników piersi

Głównymi składnikami piersi są tlenowa i dezoksyhemoglobina , woda , lipidy i kolagen . W szczególności kolagen został uznany za niezależny czynnik ryzyka rozwoju raka piersi.

Krew silnie absorbuje w czerwonym zakresie spektralnym, podczas gdy kolagen, woda i lipidy mają szczyty absorpcji przy długościach fal dłuższych niż 900 nm. Rozróżnienie między oksy- i dezoksy-hemoglobiny wynika z obecności drugiego dużego piku w przypadku oksy-hemoglobiny. Lipidy charakteryzują się maksimami absorpcji przy 930 nm i 1040 nm, podczas gdy długość fali 975 nm jest wrażliwa na wodę. Wreszcie szczyt absorpcji kolagenu ma miejsce przy 1030 nm.

Możliwe wdrożenia

Rozproszona mammografia optyczna może być realizowana z wykorzystaniem trzech różnych podejść: dziedziny czasu, dziedziny częstotliwości i fali ciągłej. Ponadto istnieją dwie główne geometrie wykonywania pomiarów optycznych:

Odbicie : wstrzyknięcie i pobranie następuje po tej samej stronie piersi. Kobieta jest zwykle na brzuchu lub pochylona do przodu i kładzie pierś na podporze wyposażonej w otwór, w którym umieszczone są źródła i detektory. Konfiguracje innych systemów zamiast tego wymagają, aby kobieta leżała na plecach, a pomiar jest wykonywany za pomocą ręcznej sondy.
Transmisja : wstrzyknięcie i pobranie następuje po przeciwnych stronach piersi. Pierś jest zwykle ściśnięta między płaskimi równoległymi płytkami.

Niezależnie od wybranego podejścia, każdy mammograf optyczny musi obejmować kilka istotnych elementów: źródła laserowe , detektor , procesor sygnału .

Wykorzystanie wielu źródeł laserowych pozwala na zbadanie stężeń składników piersi poprzez wybranie pewnych określonych długości fal. Detektory to zazwyczaj fotopowielacze lub fotodiody lawinowe . Wreszcie, procesor sygnałowy mógłby być urządzeniem do skorelowanego z czasem zliczania pojedynczych fotonów w przypadku mammografu optycznego rozdzielczego w czasie lub filtrem do modulacji częstotliwości w przypadku mammografu w dziedzinie częstotliwości.

Na podstawie liczby i położenia źródeł i detektorów mammograf optyczny może tworzyć dwuwymiarowe lub trójwymiarowe mapy składników piersi. ^{[ potrzebne źródło ]}

Dziedzina czasu

W pomiarach w dziedzinie czasu do piersi dostarczane są krótkie impulsy świetlne rzędu setek pikosekund, a ich właściwości optyczne są pobierane z cech reemitowanych impulsów, które uległy opóźnieniu, poszerzeniu i osłabieniu. Skorelowane w czasie zliczanie pojedynczych fotonów ma fundamentalne znaczenie dla radzenia sobie z sygnałem wyjściowym niskiego poziomu.

Domena częstotliwości

W pomiarach w dziedzinie częstotliwości sygnał o modulowanej intensywności jest wstrzykiwany do piersi, a jego właściwości optyczne są określane na podstawie przefazowania i demodulacji sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału wejściowego. Pomiar jest powtarzany dla różnych wartości modulacji częstotliwości.

Ciągła fala

W pomiarach fali ciągłej (CW) źródłem światła jest laser fali ciągłej, co utrudnia rozdzielenie składek absorpcji i rozpraszania w jednym pomiarze. Możliwym rozwiązaniem jest wykonanie pomiarów przestrzennych lub kątowych. Ogólnie rzecz biorąc, podejście CW jest łączone z podejściem w domenie częstotliwości, aby wzmocnić mocne strony obu.

Potencjalne aplikacje

Ocena ryzyka raka piersi

Gęstsza pierś jest bardziej narażona na rozwój raka piersi. Gęsta pierś charakteryzuje się znaczną ilością tkanki włóknistej w stosunku do tkanki tłuszczowej. Głównymi składnikami tkanki włóknistej są woda, kolagen i hemoglobina, a mammografia optyczna jest w stanie rozróżnić i określić ilościowo składniki tkanek. Dlatego też, mierząc stężenia składników piersi, mammografia optyczna może ocenić ryzyko raka piersi.

Charakterystyka zmian

Guzy są na ogół zbudowane z tkanki włóknistej i można je rozpoznać na mapach składowych jako lokalne plamy o wyższych stężeniach wody, kolagenu i hemoglobiny w stosunku do otaczających, głównie tłuszczowych, zdrowych tkanek. Badania pokazują, że zmienność stężenia w stosunku do zdrowej tkanki jest statystycznie bardziej wyraźna w przypadku nowotworów złośliwych niż łagodnych. Ponadto współczynnik rozpraszania jest na ogół wyższy w przypadku zmian łagodnych. Takie rozróżnienia sugerują, że mammografia optyczna może charakteryzować zmiany piersi.

Monitorowanie terapii i przewidywanie wyników terapii

Leczenie raka piersi zależy od charakterystyki guza i stanu pacjentki. Jedną z możliwych strategii jest zastosowanie terapii neoadiuwantowej , której celem jest zmniejszenie wielkości guza przed operacją. Z badań wynika, że jeśli terapia jest skuteczna, to zawartość wody, kolagenu i hemoglobiny w zmianie wykazuje tendencję spadkową w czasie, co sugeruje, że początkowo tkanka włóknista nabiera cech zbliżonych do tkanki tłuszczowej. Pomiary optyczne w korespondencji z sesjami terapeutycznymi mogą śledzić jego ewolucję, aby ocenić reakcję pacjenta na to. Ponadto uważa się, że skuteczność terapii można przewidzieć już w pierwszym dniu leczenia na podstawie początkowych stężeń składników piersi.

Zobacz też