Диффузная оптическая маммография

Диффузная оптическая маммография
Пример карт концентраций компонентов груди через оптическая маммография (правый кранио-каудальный вид). Синяя стрелка указывает на поражение. Hb означает дезоксигемоглобин, HbO 2 - оксигемоглобин, tHb - общий гемоглобин.
Цель	исследование состава груди с помощью спектрального анализа

диффузная оптическая маммография, или просто оптическая маммография, представляет собой развивающийся метод визуализации, который позволяет исследовать состав груди посредством спектрального анализа. Он объединяет в одном неинвазивном инструменте возможность реализации рака груди оценки риска, характеристики поражения, мониторинга терапии и прогнозирования результатов терапии. Это приложение диффузной оптики, которое изучает распространение света в сильно рассеивающих средах, таких как биологические ткани, работая в красном и ближнем инфракрасном спектральном диапазоне., между 600 и 1100 нм.

.

• 1 Сравнение с традиционными методами визуализации
• 2 Физический механизм
  • 2.1 Миграция фотонов в диффузионной среде
  • 2.2 Спектры поглощения компонентов груди
• 3 Возможные реализации
  • 3.1 Временная область
  • 3.2 Частотная область
  • 3.3 Непрерывная волна
• 4 Возможные применения
  • 4.1 Оценка риска рака груди
  • 4.2 Характеристика поражения
  • 4.3 Мониторинг терапии и прогнозирование результата терапии
• 5 См. Также
• 6 Ссылки

В настоящее время наиболее распространенными методами визуализации груди являются рентгеновская маммография, УЗИ, МРТ и ПЭТ.

Рентген маммография широко распространена для скрининга груди благодаря большой пространственной высокое разрешение и короткое время измерения. Однако он не чувствителен к физиологии груди, характеризуется ограниченной эффективностью при исследовании плотной груди и вреден из-за использования ионизирующего излучения. Ультразвук являются неинвазивными и используются, прежде всего, для молодых женщин, для которых обычно характерна плотная грудь, но интерпретация изображений зависит от опыта оператора. МРТ показывает хорошую корреляцию с размерами опухоли и считается лучшим методом для идентификации и характеристики поражений. Несмотря на то, что не существует подтвержденного долгосрочного риска для здоровья от магнитных полей, используемых во время МРТ, он не используется в качестве первого исследовательского инструмента из-за высоких затрат и увеличенной продолжительности исследования. Наконец, ПЭТ позволяет на ранней стадии оценить метаболические изменения опухоли, но это очень дорого и требует введения радиоактивного индикатора. По этой причине его применение не рекомендуется часто.

Напротив, оптическая маммография является дешевой, эффективной также для плотных грудей и лишена каких-либо побочных эффектов, поэтому ее можно использовать для ежедневного отслеживания развития состояния пациента. Он также может характеризовать грудь с физиологической точки зрения. Однако, поскольку он все еще находится в стадии разработки, у исследовательских групп, занимающихся этим, отсутствует стандартизация анализа данных, и он страдает низким пространственным разрешением. По этой причине предлагается «мультимодальный подход», при котором оптическая маммография дополняет другой традиционный метод, так что также повышается диагностическая эффективность.

Миграция фотонов в диффузионной среде

Биологические ткани являются диффузными средой, что означает, что ослабление света во время распространения происходит не только из-за поглощения, но также из-за рассеяния. Первый связан с химическим составом среды и вызывает аннигиляцию фотона, тогда как второй зависит от микроскопических неоднородностей его показателя преломления и определяет отклонения в траектории фотона. Коэффициент поглощения $\mu \; a\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{a\}\}$представляет вероятность на единицу длины того, что происходит событие поглощения, в то время как коэффициент рассеяния $\mu \; s\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{s\}\}$обозначает вероятность на единицу длины, что происходит событие рассеяния. Однако во многих исследованиях упоминается уменьшенный коэффициент рассеяния $\mu \; s\; \prime \; =\; \mu \; s\; (1\; -\; g)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{s\}\; ^\; \{\text{'}\}\; =\; \backslash \; mu\; \_\; \{s\}\; (1-g)\}$, а не простой коэффициент рассеяния, чтобы учесть анизотропию среды. Анизотропия среды представлена ​​коэффициентом $g\; \{\backslash \; displaystyle\; g\}$, который представляет собой средний косинус углового отклонения.

Распространение света через сильно рассеивающую среду обычно описывается с помощью эвристический подход теории переноса излучения, дополненный так называемым «приближением диффузии »: предполагается, что рассеяние изотропно и сильно доминирует над поглощением. Это довольно точно, например, для ткани груди в красном и ближнем инфракрасном спектральном диапазоне (между 600 и 1100 нм), известном также как «терапевтическое окно ». В терапевтическом окне свет может проникать на несколько сантиметров, так что он может исследовать объем на экзамене. По этой причине миграция фотонов в биологических тканях известна также как «диффузная оптика».

Связь между уменьшенным коэффициентом рассеяния и длиной волны ($\lambda \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; lambda\}$) происходит из теории Ми :

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

Нормированные спектры поглощения экспериментального компонента груди. Hb означает дезоксигемоглобин, HbO2 - оксигемоглобин.

, где $\lambda \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; lambda\; \_\; \{0\}\}$- эталонная длина волны, а $b\; \{\backslash \; displaystyle\; b\}$и $a\; \{\backslash \; displaystyle\; a\}$относятся к размеру центров рассеяния и их плотности соответственно.

Что касается коэффициента поглощения, связь с $\lambda \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; lambda\}$опосредована так называемым «коэффициентом экстинкции » $ϵ\; я\; (\lambda )\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; epsilon\; \_\; \{i\}\; (\backslash \; lambda)\}$, что в сочетании с законом Ламберта-Бера дает

$\mu \; a\; =\; \sum \; i\; ϵ\; я\; (\lambda )\; С\; я\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{a\}\; =\; \backslash \; sum\; \_\; \{i\}\; \backslash \; epsilon\; \_\; \{i\}\; (\backslash \; lambda)\; C\_\; \{i\}\}$

где $C\; i\; \{\backslash \; displaystyle\; C\_\; \{i\}\}$- концентрация i-го компонента груди. Измеряя $\mu \; a\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{a\}\}$на разных длинах волн, можно экстраполировать концентрации компонентов груди.

Спектры поглощения компонентов груди

Основными компонентами груди являются окси- и дезоксигемоглобин, вода, липиды и коллаген. В частности, коллаген признан независимым фактором риска развития рака груди.

Кровь сильно поглощает в красном спектральном диапазоне, тогда как коллаген, вода и липиды имеют пики поглощения на длинах волн более 900 нм. Различие между оксигемоглобином и дезоксигемоглобином обусловлено наличием второго большого пика в случае оксигемоглобина. Липиды характеризуются максимумами поглощения при 930 нм и 1040 нм, а длина волны 975 нм чувствительна к воде. Наконец, пик поглощения коллагена имеет место при 1030 нм.

Диффузная оптическая маммография может быть реализована с использованием трех различных подходов: временной области, частотной области и непрерывной волны. Более того, существуют две основные геометрии для выполнения оптических измерений:

• Отражение: инъекция и сбор происходят на одной стороне груди. Женщина обычно наклоняется или наклоняется вперед и кладет грудь на подставку с отверстием, в котором расположены источники и детекторы. В других системах вместо этого женщина должна лежать на спине, а измерение проводится с помощью ручного зонда.
• Передача: инъекция и сбор происходят на противоположных сторонах груди. Грудь обычно сжимается между плоскопараллельными пластинами.

Каким бы ни был выбранный подход, любой оптический маммограф должен содержать некоторые важные элементы: лазер источники, детектор, сигнальный процессор.

Использование нескольких лазерных источников позволяет исследовать концентрации представляющих интерес компонентов груди, выбирая определенные длины волн. Детекторы обычно представляют собой фотоэлектронные умножители или лавинные фотодиоды. Наконец, сигнальный процессор может быть устройством для коррелированного по времени счета одиночных фотонов в случае оптического маммографа с временным разрешением или фильтром для частотной модуляции в случае частотной области.

В зависимости от количества и расположения источников и детекторов оптический маммограф может создавать двумерные или трехмерные карты компонентов груди.

Временная область

При измерениях во временной области короткие световые импульсы порядка сотен пикосекунд доставляются к груди, и ее оптические свойства извлекаются из характеристик повторно излучаемых импульсов, которые претерпели задержку, уширение и Коррелированный по времени подсчет одиночных фотонов является основным для работы с выходным сигналом низкого уровня.

Частотная область

В частотная область Измерения, модулированный по интенсивности сигнал вводится в грудь, и его оптические свойства выводятся из дефазировки и демодуляции выходного сигнала по отношению к входному. Измерение повторяется для различных значений частотной модуляции.

Непрерывная волна

При измерениях непрерывной волны (CW) источником света является лазер непрерывного действия, который затрудняет разделение вкладов поглощения и рассеяния за одно измерение. Возможное решение - проводить измерения с пространственным или угловым разрешением. Как правило, метод CW комбинируется с подходом в частотной области, чтобы усилить сильные стороны обоих.

Оценка риска рака груди

Более плотная грудь с большей вероятностью разовьется рак груди. Плотная грудь характеризуется значительным количеством волокнистой ткани по сравнению с жировой. Основными составляющими фиброзной ткани являются вода, коллаген и гемоглобин, а оптическая маммография способна различать и количественно определять компоненты тканей. Следовательно, путем измерения концентраций компонентов груди оптическая маммография может оценить риск рака груди.

Характеристика поражения

Опухоли обычно состоят из фиброзной ткани и могут быть распознаны на картах компонентов как локальные пятна. с более высокими концентрациями воды, коллагена и гемоглобина по отношению к окружающим, преимущественно жировым, здоровым тканям. Исследования показывают, что изменение концентрации относительно здоровой ткани статистически более заметно в случае злокачественных опухолей, чем в случае доброкачественных. Кроме того, коэффициент рассеяния обычно выше для доброкачественных образований. Такие различия позволяют предположить, что оптическая маммография может характеризовать поражения груди.

Мониторинг терапии и прогнозирование результата терапии

Лечение рака груди зависит от характеристик опухоли и состояния пациента. Одна из возможных стратегий - проведение неоадъювантной терапии, цель которой - уменьшить размер опухоли перед операцией. Исследования показывают, что если терапия эффективна, то содержание воды, коллагена и гемоглобина в очаге поражения со временем снижается, что позволяет предположить, что первоначально фиброзная ткань приобретает черты, аналогичные жировой. Оптические измерения в соответствии с сеансами терапии могут отслеживать ее эволюцию, чтобы оценить реакцию пациента на нее. Более того, считается, что эффективность терапии можно предсказать даже в первый день лечения на основе исходных концентраций компонентов груди.

• Визуализация груди
• Диффузная оптическая визуализация
• Оптическая томография
• Уравнение переноса излучения и теория диффузии для переноса фотонов в биологической ткани
• Окно ближнего инфракрасного диапазона в биологической ткани
• Диффузная оптика во временной области
• Компьютерная томография, лазерная маммография

.