Diffus optisk mammografi

Diffus optisk mammografi
Diffus optisk mammografi
	Exempel på koncentrationer av bröstbeståndsdelar kartläggs genom optisk mammografi (höger kranio-kaudal vy). Den blå pilen pekar på lesionen. Hb står för deoxi-hemoglobin, HbO 2 för oxi-hemoglobin, tHb för totalt hemoglobin.
Syfte	undersökning av bröstsammansättningen genom spektralanalys

Diffus optisk mammografi , eller helt enkelt optisk mammografi , är en framväxande avbildningsteknik som möjliggör undersökning av bröstsammansättningen genom spektralanalys . Den kombinerar i ett enda icke-invasivt verktyg förmågan att implementera riskbedömning av bröstcancer , karakterisering av lesioner, terapiövervakning och förutsägelse av behandlingsresultat. Det är en tillämpning av diffus optik , som studerar ljusutbredning i starkt diffusiva medier, såsom biologiska vävnader, som arbetar i det röda och nära-infraröda spektralområdet, mellan 600 och 1100 nm.

Jämförelse med konventionella bildtekniker

är de vanligaste bröstavbildningsteknikerna röntgenmammografi , ultraljud , MRT och PET . ^{[ citat behövs ]}

Röntgenmammografi är allmänt spridd för bröstscreening , tack vare dess höga rumsliga upplösning och den korta mättiden. Det är dock inte känsligt för bröstets fysiologi, det kännetecknas av en begränsad effektivitet vid undersökning av täta bröst och det är skadligt på grund av användningen av joniserande strålning . Ultraljud är icke-invasivt och de används särskilt på unga kvinnor, som vanligtvis kännetecknas av täta bröst, men bildtolkningen beror på operatörens erfarenhet. MRT visar en god korrelation med tumördimensionerna och påstås vara den bästa metoden för identifiering och karakterisering av lesioner. Även om det inte finns någon verifierad långsiktig hälsorisk från magnetfälten som används under en MRT, används den inte som första undersökningsverktyg på grund av de höga kostnaderna och den långa varaktigheten av undersökningen. Slutligen PET en tidig utvärdering av tumörens metaboliska förändringar, men det är mycket dyrt och kräver administrering av ett radioaktivt spårämne . Av denna anledning rekommenderas inte dess tillämpning ofta.

Tvärtom är optisk mammografi billig, effektiv även på täta bröst och utan biverkningar, så att den kan användas för att följa utvecklingen av patientens tillstånd på en daglig basis. Det kan också karakterisera bröst ur en fysiologisk synvinkel. Men eftersom det fortfarande är under utveckling, saknas standardisering i dataanalys bland de forskargrupper som arbetar med det, och det lider av låg rumslig upplösning. Av denna anledning föreslås ett "multimodalt tillvägagångssätt", där optisk mammografi är komplementär till en annan konventionell teknik, så att även den diagnostiska effektiviteten förbättras.

Fysisk mekanism

Fotonmigrering i diffusiva medier

Biologiska vävnader är diffusiva medier , vilket innebär att ljusdämpning under förökningen inte bara beror på absorption utan också på spridning . Den förra är relaterad till mediets kemiska sammansättning och inducerar fotonförintelse , medan den senare beror på mikroskopiska inhomogeniteter hos dess brytningsindex och bestämmer avvikelser i fotonens bana. Absorptionskoefficienten ${\displaystyle \mu _{a}} representerar sannolikheten per längdenhet att$ $\mu _{s}$ absorptionshändelse äger rum, medan spridningskoefficienten μ anger sannolikheten per längdenhet att en spridningshändelse inträffar. Men många studier hänvisar till den reducerade spridningskoefficienten $\mu _{s}^{'}=\mu _{s}(1-g)$ snarare än enkel spridningskoefficient, för att ta hänsyn till mediets anisotropi . Mediets anisotropi representeras av faktorn $g$ , som är medelcosinus för vinkelavböjningen.

Ljusutbredning genom mycket diffusiva medier beskrivs vanligtvis genom det heuristiska tillvägagångssättet för strålningstransportteorin , sida vid sida med den så kallade " diffusionsapproximationen ": spridning antas vara isotropisk och starkt dominerande över absorption. Detta är ganska exakt för till exempel bröstvävnaden, i det röda och nära infraröda spektralområdet (mellan 600 och 1100 nm), även känt som " terapeutiskt fönster ". I det terapeutiska fönstret kan ljus penetrera några centimeter, så att det kan utforska volymen vid tentamen. Detta är anledningen till att fotonmigration i biologiska vävnader också är känd som "diffus optik".

Relationen mellan reducerad spridningskoefficient och våglängd ( ${\displaystyle \lambda})$ härrör från Mie-teorin :

$\mu '_{s}=a\left({\frac {\lambda }{\lambda _{0}}}\right)^{-b}$

Experimentell bröstkomponents normaliserade absorptionsspektra. Hb står för deoxi-hemoglobin, HbO2 för oxi-hemoglobin.

där $\lambda _{0}$ är referensvåglängden och $b$ och $a$ hänvisar till storleken på spridningscentrumen respektive deras densitet.

Beträffande absorptionskoefficienten förmedlas relationen med $\lambda$ av den så kallade " extinktionskoefficienten " ${\displaystyle \epsilon _{i}(\lambda )} ,$ det i kombination med Lambert -Beer lagen ger

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

där $C_{i}$ är koncentrationen av den i: ^te bröstbeståndsdelen. Genom att mäta $\mu _{a}$ vid olika våglängder, kan bröstbeståndsdelarnas koncentrationer extrapoleras.

Bröstbeståndsdelars absorptionsspektra

De huvudsakliga bröstbeståndsdelarna är oxi och deoxi-hemoglobin , vatten , lipider och kollagen . I synnerhet har kollagen erkänts som en oberoende riskfaktor för att utveckla bröstcancer.

Blod absorberas kraftigt i det röda spektralområdet, medan kollagen, vatten och lipider har sina absorptionstoppar vid våglängder längre än 900 nm. Skillnaden mellan oxi- och deoxi-hemoglobin beror på närvaron av en andra stor topp när det gäller oxi-hemoglobin. Lipider kännetecknas av absorptionsmaxima vid 930 nm och 1040 nm, medan våglängden 975 nm är känslig för vatten. Slutligen sker en absorptionstopp för kollagen vid 1030 nm.

Möjliga implementeringar

Diffus optisk mammografi kan implementeras genom att utnyttja tre olika tillvägagångssätt: tidsdomän, frekvensdomän och kontinuerlig våg. Dessutom finns det två huvudgeometrier för att utföra en optisk mätning:

Reflektans : injektion och samling sker på samma sida av bröstet. Kvinnan ligger vanligtvis framåtlutad eller framåtböjd och placerar bröstet på ett stöd försett med ett hål där källor och detektorer finns. Andra system uppställningar kräver istället att kvinnan ligger på rygg och mätningen görs med en handhållen sond.
Transmittans : injektion och samling sker på motsatta sidor av bröstet. Bröstet komprimeras vanligtvis mellan plana parallella plattor.

Oavsett vilket tillvägagångssätt som väljs måste varje optisk mammografi ha några väsentliga element: laserkällor , en detektor , en signalprocessor .

Användningen av flera laserkällor gör det möjligt att undersöka bröstbeståndsdelarnas koncentrationer av intresse genom att välja några specifika våglängder. Detektorer är vanligtvis fotomultiplikatorrör eller lavinfotodioder . Slutligen kan signalprocessorn vara en anordning för tidskorrelerad enkelfotonräkning i fallet med en tidsupplöst optisk mammografi, eller ett filter för frekvensmodulering i fallet med sådana i frekvensdomän.

Baserat på antalet och positionen av källor och detektorer kan en optisk mammografi producera tvådimensionella eller tredimensionella kartor över bröstbeståndsdelar. ^{[ citat behövs ]}

Tidsdomän

Vid tidsdomänmätningar levereras korta ljuspulser i storleksordningen hundratals pikosekunder till bröstet och dess optiska egenskaper hämtas från egenskaperna hos de återutsända pulserna, som har genomgått fördröjning, breddning och dämpning. Tidskorrelerad enkelfotonräkning är grundläggande för att klara utsignalen på låg nivå.

Frekvensdomän

I frekvensdomänmätningar injiceras en intensitetsmodulerad signal i bröstet och dess optiska egenskaper härleds från fasfördelningen och demoduleringen av utsignalen med avseende på ingångssignalen. Mätningen upprepas för olika värden på frekvensmoduleringen.

Kontinuerlig våg

I kontinuerliga vågmätningar (CW) är ljuskällan en kontinuerlig våglaser, som hindrar separationen av absorptions- och spridningsbidragen med en enda mätning. En möjlig lösning är att utföra rums- eller vinkelupplösta mätningar. I allmänhet kombineras CW-metoden med frekvensdomänen ett, för att förstärka styrkorna hos båda.

Potentiella applikationer

Riskbedömning av bröstcancer

Ett tätare bröst är mer benägna att utveckla bröstcancer. Ett tätt bröst kännetecknas av en meningsfull mängd fibrös vävnad , relativt den feta. Huvudbeståndsdelarna i en fibrös vävnad är vatten, kollagen och hemoglobin och optisk mammografi kan urskilja och kvantifiera vävnadskomponenter. Därför kan optisk mammografi, genom att mäta bröstbeståndsdelars koncentrationer, bedöma risken för bröstcancer.

Karaktärisering av lesioner

Tumörer är i allmänhet gjorda av fibrös vävnad och kan i beståndsdelarnas kartor kännas igen som lokala fläckar med högre koncentrationer av vatten, kollagen och hemoglobin med avseende på omgivande, mestadels fett, friska vävnader. Studier visar att variationen i koncentration med avseende på den friska vävnaden är statistiskt mer markant när det gäller maligna tumörer än benigna. Dessutom är spridningskoefficienten generellt högre för benigna lesioner. Sådana distinktioner tyder på att optisk mammografi kan karakterisera bröstskador.

Terapiövervakning och förutsägelse av behandlingsresultat

Bröstcancerhantering beror på tumörens egenskaper och patientens tillstånd. En av de möjliga strategierna är administrering av neoadjuvant terapi , vars mål är att krympa tumörstorleken före operation. Studier visar att om terapin är effektiv visar halten av vatten, kollagen och hemoglobin i lesionen ett minskande beteende över tiden, vilket tyder på att den initialt fibrösa vävnaden får egenskaper som liknar den fettvävnad. Optiska mätningar i överensstämmelse med terapisessioner kan spåra dess utveckling, för att bedöma patientens svar på det. Dessutom antas det att terapieffektiviteten kan förutsägas även på den första behandlingsdagen på basen av initiala bröstbeståndsdelars koncentrationer.

Se även