Mamografie optică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Exemplu de hărți ale concentrațiilor componentelor mamare obținute prin măsurători mamografice optice (vedere cranio-caudală dreaptă). Săgeata albastră indică leziunea. Hb standuri pentru deoxyhemoglobin, 2 pentru oxihemoglobină OHB, Thb pentru hemoglobina totală. [1]

Mamografia optică este o tehnică imagistică emergentă care permite, prin analiza spectrală , studiul compoziției sânului , combinând într-un singur instrument neinvaziv capacitatea de a evalua riscul de a contracta cancer mamar , [2] caracterizează o leziune mamară, [3] monitorizează terapia [4] și prezice rezultatul acesteia. [5] Este o aplicație a opticii difuze, o ramură a fizicii care studiază propagarea luminii în medii foarte difuzive, de exemplu țesuturi biologice, care operează în intervalul spectral de roșu și infraroșu apropiat , între 600 și 1100 marja nr. [6]

Comparație cu tehnicile imagistice convenționale

În prezent, cele mai comune tehnici de imagistică a sânilor sunt mamografia cu raze X , ultrasunetele , imagistica prin rezonanță magnetică și tomografia cu emisie de pozitroni (PET).

Mamografia cu raze X este tehnica primară pentru programele de screening datorită rezoluției sale spațiale ridicate [7] și a duratei scurte de măsurare. Cu toate acestea, nu poate extrage informații despre fiziologia sânului, [8] nu este foarte eficient în cazul sânilor densi [9] și folosește radiații ionizante . [10] Ecografiile , pe de altă parte, nu au efecte nedorite și sunt utilizate în special la femeile tinere, [11] caracterizate de obicei prin sâni densi, dar interpretarea imaginilor depinde de experiența operatorului. RMN arată o corelație bună cu dimensiunea tumorii și se crede că este cea mai bună metodă de identificare și caracterizare a leziunilor. [12] Deși câmpurile magnetice utilizate în timpul unui RMN nu prezintă niciun risc pentru sănătate, acesta nu este utilizat ca instrument principal de investigație din cauza costului ridicat și a duratei lungi a examinării. [13] În cele din urmă, PET permite evaluarea timpurie a modificărilor metabolice ale tumorii [14], dar este foarte costisitoare și necesită administrarea unui trasor radioactiv. Din acest motiv, aplicarea sa nu este recomandată frecvent.

Dimpotrivă, mamografia optică este ieftină, eficientă chiar și la sânii densi și nu prezintă efecte secundare, atât de mult încât poate fi utilizată pentru a urmări zilnic evoluția stării pacientului. De asemenea, este capabil să caracterizeze sânul din punct de vedere fiziologic. Cu toate acestea, fiind încă în curs de dezvoltare, lipsește standardizarea în analiza datelor în rândul grupurilor de cercetare care se ocupă de aceasta și suferă de o rezoluție spațială redusă. Din acest motiv, este sugerată o „abordare multimodală”, în care mamografia optică este complementară unei alte tehnici convenționale, astfel încât diagnosticul să fie, de asemenea, mai eficient în general. [10] [15]

Mecanism fizic

Migrarea fotonilor în medii difuzive

Țesuturile biologice sunt medii difuzive, ceea ce înseamnă că atenuarea luminii în timpul propagării se datorează nu numai absorbției , ci și difuziei . Primul fenomen este legat de compoziția chimică a mediului, în timp ce al doilea depinde de neomogenitățile microscopice ale indicelui său de refracție . [6] Coeficientul de absorbție reprezintă probabilitatea pe unitate de lungime a unui eveniment de absorbție, în timp ce coeficientul de împrăștiere indică probabilitatea pe unitate de lungime a unui eveniment de împrăștiere. [16] Cu toate acestea, multe studii se referă la coeficientul de împrăștiere redus mai degrabă decât coeficientul de împrăștiere simplu, cu scopul de a lua în considerare anizotropia mediului, reprezentat de factorul , care este cosinusul mediu al devierii unghiulare.

Propagarea luminii prin medii foarte difuzive este de obicei descrisă prin abordarea euristică a teoriei transportului radiativ , flancată de așa-numita „aproximare prin difuzie”: se presupune că împrăștierea este izotropă și puternic dominantă pe absorbție. Acest lucru este destul de precis, de exemplu, pentru țesutul mamar, în intervalul spectral de roșu și infraroșu apropiat (între 600 și 1100 nm), cunoscut și sub numele de „fereastră terapeutică”. Având în vedere fereastra terapeutică, lumina poate pătrunde câțiva centimetri în țesut, explorând astfel volumul examinat. Acesta este motivul pentru care migrația fotonilor în țesuturile biologice este cunoscută și sub denumirea de „optică difuză”. [6]

Relația dintre coeficientul de împrăștiere redus și lungimea de undă ( ) derivă din teoria Mie : [17]

unde este este lungimea de undă de referință e și ele sunt legate respectiv de mărimea centrelor de împrăștiere și densitatea lor.

Spectre de absorbție experimentale și normalizate ale componentelor mamare. Hb înseamnă deoxihemoglobină, HbO2 pentru oxihemoglobină. [1]

În ceea ce privește coeficientul de absorbție, relația cu este mediat de așa-numitul „ coeficient de extincție , [18] care în combinație cu legea Beer-Lambert

unde este este concentrația componentei a i-a a sinusului. Prin măsurare la diferite lungimi de undă, concentrațiile componentelor sinusului pot fi apoi derivate.

Spectrele de absorbție ale componentelor mamare

Principalele componente ale țesutului mamar sunt oxi și dezoxihemoglobina , apa , lipidele și colagenul . [1] În special, colagenul a fost recunoscut ca un factor de risc independent pentru dezvoltarea cancerului de sân. [19]

Sângele se absoarbe puternic în domeniul spectral roșu, în timp ce colagenul, apa și lipidele au vârfuri de absorbție la lungimi de undă de peste 900 nm. Distincția dintre oxihemoglobină și oxihemoglobină este legată de prezența unui al doilea vârf în cazul oxihemoglobinei. Lipidele sunt caracterizate prin absorbție maximă la 930 nm și 1040 nm, în timp ce lungimea de undă de 975 nm este sensibilă la apă. În cele din urmă, un vârf de absorbție pentru colagen are loc la 1030 nm. [1] [16]

Implementări posibile

Mamografia optică poate fi implementată utilizând trei abordări diferite: domeniul timpului, [20] domeniul frecvenței [21] și unda continuă. [22] În plus, există două geometrii principale pentru a efectua o măsurare optică:

  • Reflectanță : injectarea și colectarea fotonului are loc pe aceeași parte a sânului. Femeia este, în general, predispusă sau aplecată înainte și așează sânul pe un suport cu o gaură în care se află sursele și detectorul. [23] Alte sisteme necesită femeia să se întindă pe spate și măsurarea se efectuează cu o sondă manuală. [24]
  • Transmitență : injectarea și colectarea fotonilor are loc pe părțile opuse ale sânului. Sânul este în general comprimat între plăcile plate și paralele. [25] [26]

Oricare ar fi abordarea aleasă, fiecare mamograf optic trebuie să includă câteva elemente esențiale: surse laser , un detector , un procesor de semnal.

Utilizarea mai multor surse laser permite studierea concentrațiilor componentelor sinusului de interes, selectând anumite lungimi de undă specifice. Detectoarele sunt în general tuburi fotomultiplicatoare [23] sau fotodioduri de avalanșă [27] . În cele din urmă, semnalul ar putea fi procesat de un dispozitiv pentru numărarea fotonilor singuri corelați în timp [28] în cazul unui mamograf optic care funcționează în domeniul timpului [25] sau a unui filtru pentru modularea frecvenței în cazul în care mamograful optic funcționează în domeniul frecvenței. [29]

Pe baza numărului și localizării surselor și detectoarelor, un mamograf optic poate produce hărți bidimensionale sau tridimensionale ale componentelor sânului.

Domeniul timpului

În cazul măsurătorilor în domeniul timpului, impulsurile de lumină scurte de ordinul a sute de picosecunde sunt trimise la sân și proprietățile sale optice sunt reconstituite pornind de la caracteristicile impulsurilor reemise, care sunt întârziate, mărite și atenuate cu cu privire la impulsul de intrare corespunzător. [25] [30] Numărul de fotoni simpli corelați în timp este fundamental pentru a gestiona mica amplitudine a semnalului de ieșire. [28]

Domeniul de frecventa

În cazul măsurătorilor din domeniul frecvenței, un semnal modulat de intensitate este injectat în sinus și proprietățile sale optice sunt deduse din defazarea și demodularea semnalului de ieșire în raport cu semnalul de intrare. Măsurarea se repetă pentru diferite valori de modulare a frecvenței. [29] [31]

Unda continua

În cazul măsurătorilor de undă continuă, sursa de lumină este un laser cu undă continuă, de aceea separarea contribuțiilor de absorbție și difuzie cu o singură măsurare este impracticabilă. O posibilă soluție este efectuarea măsurătorilor la diferite distanțe sursă-detector. În general, abordarea undelor continue este combinată cu cea din domeniul frecvenței, pentru a combina și a consolida avantajele ambelor. [27]

Aplicații potențiale

Evaluarea riscului de cancer mamar

Un sân mai dens este mai probabil să dezvolte cancer mamar. [19] Un sân dens se caracterizează printr-o cantitate semnificativă de țesut fibros, relativ față de cel adipos. Principalii constituenți ai unui țesut fibros sunt apa, colagenul și hemoglobina, iar mamografia optică este capabilă să discrimineze și să cuantifice componentele țesutului mamar. Astfel, prin măsurarea concentrațiilor componentelor mamare, mamografia optică ar putea evalua riscul de a contracta cancer de sân. [2] [32] [33]

Caracterizarea leziunii

Tumorile sunt în general compuse din țesut fibros și pot fi recunoscute în hărțile componente ca puncte locale cu concentrații mai mari de apă, colagen și hemoglobină decât înconjurătoare de țesut sănătos, predominant gras. Studiile arată că modificarea concentrației în ceea ce privește țesutul sănătos este statistic mai accentuată în cazul tumorilor maligne decât în ​​cele benigne. Mai mult, coeficientul de împrăștiere este, în general, mai mare pentru leziunile benigne. Astfel de distincții sugerează că mamografia optică ar putea fi utilizată pentru a caracteriza leziunile mamare. [34] [35] [36] [37]

Monitorizarea terapiei și predicția rezultatului terapiei

Gestionarea cancerului de sân depinde de caracteristicile tumorii și de starea pacientului. Una dintre strategiile posibile este administrarea terapiei neoadjuvante, al cărei scop este reducerea dimensiunii tumorii înainte de operație. Studiile arată că, dacă terapia este eficientă, conținutul de apă, colagen și hemoglobină al leziunii prezintă un comportament descrescător în timp, sugerând că țesutul fibros inițial capătă caracteristici similare cu cel adipos. [4] [38] Măsurătorile optice în corespondență cu sesiunile de terapie neoadjuvantă ar putea urmări evoluția acestora, evaluând astfel răspunsul pacientului la aceasta. Mai mult, se crede că eficacitatea terapiei poate fi prezisă și în prima zi de tratament pe baza concentrațiilor inițiale ale componentelor mamare. [5] [39]

Notă

  1. ^ a b c d Paola Taroni, Anna Maria Paganoni și Francesca Ieva, Estimarea optică non-invazivă a compoziției tisulare pentru a diferenția leziunile mamare maligne de cele benigne: Un studiu pilot , în Scientific Reports , vol. 7, nr. 1, 16 ianuarie 2017, DOI : 10.1038 / srep40683 .
  2. ^ a b Paola Taroni, Antonio Pifferi și Giovanna Quarto, Evaluarea neinvazivă a riscului de cancer mamar utilizând spectroscopie optică difuză rezolvată în timp , în Journal of Biomedical Optics , vol. 15, nr. 6, 2010, p. 060501, DOI : 10.1117 / 1.3506043 .
  3. ^ Giovanna Quarto, Lorenzo Spinelli și Antonio Pifferi, Estimarea compoziției țesuturilor în leziunile mamare maligne și benigne prin mamografie optică în domeniul timpului , în Biomedical Optics Express , vol. 5, nr. 10, 18 septembrie 2014, p. 3684, DOI : 10.1364 / BOE.5.003684 .
  4. ^ a b Shudong Jiang, Brian W. Pogue și Colin M. Carpenter, Evaluarea răspunsului tumorilor mamare la chimioterapia neoadjuvantă cu spectroscopie optică difuză tomografică: Studii de caz ale modificărilor regiunii de interes ale tumorilor , în Radiologie , vol. 252, n. 2, august 2009, pp. 551-560, DOI : 10.1148 / radiol . 2522081202 .
  5. ^ a b A. Cerussi, D. Hsiang și N. Shah, Prezicerea răspunsului la chimioterapia neoadjuvantă a cancerului de sân utilizând spectroscopie optică difuză , în Proceedings of the National Academy of Sciences , vol. 104, nr. 10, 28 februarie 2007, pp. 4014-4019, DOI : 10.1073 / pnas . 0611058104 .
  6. ^ a b c Fabrizio Martelli, Samuele Del Bianco și Andrea Ismaelli, Propagarea luminii prin țesut biologic și alte medii difuzive: teorie, soluții și software , SPIE, ISBN 9780819476586 .
  7. ^ Kai Yang, Alexander LC Kwan și John M. Boone, Modelarea computerizată a proprietăților de rezoluție spațială a unui sistem dedicat CT mamar , în Medical Physics , vol. 34, 6Part1, 15 mai 2007, pp. 2059-2069, DOI : 10.1118 / 1.2737263 .
  8. ^ Katarzyna Dobruch-Sobczak, Hanna Piotrzkowska-Wróblewska și Ziemowit Klimoda, Monitorizarea răspunsului la chimioterapia neoadjuvantă la pacienții cu cancer mamar utilizând coeficientul de dispersie cu ultrasunete: Un raport preliminar , în Journal of Ultrasonography , vol. 19, nr. 77, 28 iunie 2019, pp. 89-97, DOI : 10.15557 / JoU.2019.0013 .
  9. ^ Eliot Marshall, Brawling Over Mammography , în Știință , vol. 327, nr. 5968, 18 februarie 2010, pp. 936-938, DOI : 10.1126 / science.327.5968.936 .
  10. ^ a b Dirk Grosenick, Herbert Rinneberg și Rinaldo Cubeddu, Review of optical imaging and spectroscopy , în Journal of Biomedical Optics , vol. 21, n. 9, 11 iulie 2016, p. 091311, DOI : 10.1117 / 1.JBO.21.9.091311 .
  11. ^ Stuart S. Kaplan, Clinical Utility of Bilateral Whole-Breast US in the Assessment of Women with Dense Breast Tissue , in Radiology , vol. 221, n. 3, decembrie 2001, pp. 641-649, DOI : 10.1148 / radiol . 2213010364 .
  12. ^ Nola Hylton, Imagistica prin rezonanță magnetică a sânului: oportunități de a îmbunătăți gestionarea cancerului de sân , în Journal of Clinical Oncology , vol. 23, n. 8, 10 martie 2005, pp. 1678-1684, DOI : 10.1200 / JCO.2005.12.002 .
  13. ^ SJ Lord, W. Lei și P. Craft, O revizuire sistematică a eficacității imagisticii prin rezonanță magnetică (RMN) ca adaos la mamografie și ultrasunete în screening-ul tinerelor femei cu risc crescut de cancer mamar , în European Journal of Cancer , vol. . 43, nr. 13, septembrie 2007, pp. 1905-1917, DOI : 10.1016 / j.ejca . 2007.06.007 .
  14. ^ François Bénard și Éric Turcotte, Imagistica în cancerul de sân: tomografie computerizată cu foton unic și tomografie cu emisie de pozitroni , în Cercetarea cancerului de sân , vol. 7, nr. 4, 12 mai 2005, DOI : 10.1186 / bcr1201 .
  15. ^ Paola Taroni, Imagistica optică difuză și spectroscopia sânului: o scurtă schiță a istoriei și perspectivelor , în Photochem. Fotobiol. Știință , vol. 11, n. 2, 2012, pp. 241-250, DOI : 10.1039 / c1pp05230f .
  16. ^ a b Steven L Jacques, Proprietăți optice ale țesuturilor biologice: o recenzie , în Fizică în medicină și biologie , vol. 58, nr. 11, 7 iunie 2013, pp. R37 - R61, DOI : 10.1088 / 0031-9155 / 58/11 / R37 .
  17. ^ Xin Wang, Brian W. Pogue și Shudong Jiang, Aproximarea parametrilor de împrăștiere Mie în tomografia cu infraroșu apropiat a țesutului mamar normal in vivo , în Journal of Biomedical Optics , vol. 10, nr. 5, 2005, p. 051704, DOI : 10.1117 / 1.2098607 .
  18. ^ Paola Taroni, Giovanna Quarto și Antonio Pifferi, Compoziția țesutului mamar și dependența sa de factorii de risc demografici pentru cancerul de sân: evaluare neinvazivă prin spectroscopie optică difuză în domeniul timpului , în PLOS ONE , vol. 10, nr. 6, 1 iunie 2015, pp. e0128941, DOI : 10.1371 / journal.pone.0128941 .
  19. ^ a b Paolo P Provenzano, David R Inman și Kevin W Eliceiri, Densitatea colagenului promovează inițierea și progresia tumorii mamare , în BMC Medicine , vol. 6, nr. 1, 28 aprilie 2008, DOI : 10.1186 / 1741-7015-6-11 .
  20. ^ Paola Taroni, Antonio Pifferi și Alessandro Torricelli, Spectroscopia de absorbție și dispersare in vivo a țesuturilor biologice , în Științe fotochimice și fotobiologice , vol. 2, nr. 2, 2003, p. 124, DOI : 10.1039 / B209651J .
  21. ^ T. Durduran, R. Choe și JP Culver, Proprietăți optice în vrac ale țesutului mamar feminin sănătos , în Physics in Medicine and Biology , vol. 47, nr. 16, 21 august 2002, pp. 2847-2861, DOI : 10.1088 / 0031-9155 / 47/16/302 .
  22. ^ Stephen J. Matcher, Signal Quantification and Localization in Tissue Near-Infrared Spectroscopy , 25 octombrie 2016, pp. 585-687, DOI : 10.1117 / 3.2219603.ch9 .
  23. ^ a b Huabei Jiang, Nicusor V. Iftimia și Yong Xu, Imagistica optică aproape infraroșie a sânului cu reconstrucție bazată pe model , în Radiologie academică , vol. 9, nr. 2, februarie 2002, pp. 186-194, DOI : 10.1016 / s1076-6332 (03) 80169-1 .
  24. ^ Ronald X Xu, Donn C Young și Jimmy J Mao, Un studiu clinic potențial pilot care evaluează utilitatea unui dispozitiv de imagistică din infraroșu apropiat dinamic pentru caracterizarea leziunilor mamare suspecte , în Breast Cancer Research , vol. 9, nr. 6, 18 decembrie 2007, DOI : 10.1186 / bcr1837 .
  25. ^ a b c Edoardo Ferocino, Edoardo Martinenghi și Alberto Dalla Mora, lanț de detecție cu randament ridicat pentru mamografie optică în domeniul timpului , în Biomedical Optics Express , vol. 9, nr. 2, 23 ianuarie 2018, p. 755, DOI : 10.1364 / BOE.9.000755 .
  26. ^ Louise C. Enfield, Adam P. Gibson și Nicholas L. Everdell, Mamografie optică tridimensională rezolvată în timp a sânului necomprimat , în Applied Optics , vol. 46, nr. 17, 18 mai 2007, p. 3628, DOI : 10.1364 / AO.46.003628 .
  27. ^ a b Frédéric Bevilacqua, Andrew J. Berger și Albert E. Cerussi, Spectroscopia de absorbție în bandă largă în medii tulburi prin metode combinate de domeniu de frecvență și metoda stării de echilibru , în Applied Optics , vol. 39, nr. 34, 1 decembrie 2000, p. 6498, DOI : 10.1364 / AO.39.006498 .
  28. ^ a b Wolfgang Becker, Axel Bergmann și Giovanni Luca Biscotti, Tehnici avansate de numărare a fotonului unic corelate în timp pentru spectroscopie și imagistică în sisteme biomedicale , International Society for Optics and Photonics, 2004, pp. 104-112.
  29. ^ a b B. Chance, CE Cooper și DT Delpy, măsurători neinvazive ale proprietăților optice ale țesutului mamar folosind migrarea fotonului în domeniu de frecvență , în Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Seria B: Științe biologice , vol. 352, nr. 1354, 29 iunie 1997, pp. 661-668, DOI : 10.1098 / rstb.1997.0047 .
  30. ^ Dirk Grosenick, Heidrun Wabnitz și Herbert H. Rinneberg, Dezvoltarea unui mamograf optic în domeniul timpului și a primelor aplicații in vivo , în Applied Optics , vol. 38, nr. 13, 1 mai 1999, p. 2927, DOI : 10.1364 / AO.38.002927 .
  31. ^ KT Moesta, S Fantini și H Jess, caracteristici de contrast ale cancerului de sân în mamografie cu scanare laser cu domeniu de frecvență. , în Journal of biomedical optics , vol. 3, nr. 2, aprilie 1998, pp. 129-36, DOI : 10.1117 / 1.429869 , PMID 23015049 .
  32. ^ Michelle K. Simick, Roberta Jong și Brian Wilson, Spectroscopie de transiluminare a radiațiilor ne-ionizante în infraroșu apropiat pentru densitatea țesutului mamar și evaluarea riscului de cancer mamar , în Journal of Biomedical Optics , vol. 9, nr. 4, 2004, p. 794, DOI : 10.1117 / 1.1758269 .
  33. ^ Kristina M. Blackmore, Julia A. Knight și Jane Walter, Asociația dintre conținutul optic al țesutului mamar și densitatea mamografică la femeile pre- și post-menopauzale , în PLOS ONE , vol. 10, nr. 1, 15 ianuarie 2015, pp. e0115851, DOI : 10.1371 / journal.pone.0115851 .
  34. ^ Daniel Richard Leff, Oliver J. Warren și Louise C. Enfield, Imagistica optică difuză a sânului sănătos și bolnav: O revizuire sistematică , în Breast Cancer Research and Treatment , vol. 108, nr. 1, 28 aprilie 2007, pp. 9-22, DOI : 10.1007 / s10549-007-9582-z .
  35. ^ Dirk Grosenick, K Thomas Moesta și Michael Möller, Mamografie optică cu scanare pe domenii de timp: I. Înregistrarea și evaluarea mamografiilor a 154 de pacienți , în Physics in Medicine and Biology , vol. 50, nr. 11, 7 iunie 2005, pp. 2429-2449, DOI : 10.1088 / 0031-9155 / 50/11/001 .
  36. ^ Regine Choe, Soren D. Konecky și Alper Corlu, Diferențierea tumorilor benigne și maligne ale sânului prin tomografie optică difuză tridimensională cu plăci paralele in-vivo , în Journal of Biomedical Optics , vol. 14, n. 2, 2009, p. 024020, DOI : 10.1117 / 1.3103325 .
  37. ^ Quing Zhu, Edward B. Cronin și Allen A. Currier, Masele mamare benigne versus maligne: diferențierea optică cu reconstrucția optică de imagistică ghidată de SUA , în Radiologie , vol. 237, nr. 1, octombrie 2005, pp. 57-66, DOI : 10.1148 / radiol . 2371041236 .
  38. ^ H. Soliman, A. Gunasekara și M. Rycroft, Imagistica funcțională utilizând spectroscopia optică difuză a răspunsului la chimioterapie neoadjuvantă la femeile cu cancer de sân local avansat , în Clinical Cancer Research , vol. 16, n. 9, 20 aprilie 2010, pp. 2605-2614, DOI : 10.1158 / 1078-0432.CCR-09-1510 .
  39. ^ D. Roblyer, S. Ueda și A. Cerussi, Imagistica optică a apariției oxigenoglobinei cancerului de sân se corelează cu răspunsul la chimioterapie neoadjuvantă la o zi după începerea tratamentului , în Proceedings of the National Academy of Sciences , vol. 108, nr. 35, 18 august 2011, pp. 14626-14631, DOI : 10.1073 / pnas.1013103108 .