RU2787527C2 - System for quantitative image generation and its use - Google Patents
System for quantitative image generation and its use Download PDFInfo
- Publication number
- RU2787527C2 RU2787527C2 RU2020135621A RU2020135621A RU2787527C2 RU 2787527 C2 RU2787527 C2 RU 2787527C2 RU 2020135621 A RU2020135621 A RU 2020135621A RU 2020135621 A RU2020135621 A RU 2020135621A RU 2787527 C2 RU2787527 C2 RU 2787527C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tissue
- images
- optoacoustic
- ultrasonic
- imaging
- Prior art date
Links
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 claims abstract description 135
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 129
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims abstract description 78
- 210000000481 Breast Anatomy 0.000 claims abstract description 61
- 238000003325 tomography Methods 0.000 claims abstract description 44
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 claims abstract description 9
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims description 60
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 37
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 32
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 32
- 210000004369 Blood Anatomy 0.000 claims description 30
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims description 30
- 230000003595 spectral Effects 0.000 claims description 25
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 claims description 20
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 claims description 20
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 claims description 18
- 206010006187 Breast cancer Diseases 0.000 claims description 17
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 15
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 15
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 14
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 14
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 9
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 5
- 230000001965 increased Effects 0.000 claims description 5
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 38
- 210000000038 chest Anatomy 0.000 description 36
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 12
- 210000003462 Veins Anatomy 0.000 description 10
- 210000001367 Arteries Anatomy 0.000 description 9
- 210000004088 Microvessels Anatomy 0.000 description 8
- 230000003902 lesions Effects 0.000 description 8
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 7
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 6
- 108010064719 Oxyhemoglobins Proteins 0.000 description 6
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 6
- 210000004204 Blood Vessels Anatomy 0.000 description 5
- 206010021143 Hypoxia Diseases 0.000 description 5
- 238000001574 biopsy Methods 0.000 description 5
- 230000001146 hypoxic Effects 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 230000002792 vascular Effects 0.000 description 5
- 230000033115 angiogenesis Effects 0.000 description 4
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 4
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 description 4
- 230000001678 irradiating Effects 0.000 description 4
- 230000003211 malignant Effects 0.000 description 3
- 238000009607 mammography Methods 0.000 description 3
- 230000000877 morphologic Effects 0.000 description 3
- 210000000056 organs Anatomy 0.000 description 3
- 238000006213 oxygenation reaction Methods 0.000 description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 3
- 230000002829 reduced Effects 0.000 description 3
- 208000000409 Breast Neoplasms Diseases 0.000 description 2
- 229920001944 Plastisol Polymers 0.000 description 2
- 210000003660 Reticulum Anatomy 0.000 description 2
- 210000003491 Skin Anatomy 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 239000002872 contrast media Substances 0.000 description 2
- 230000001809 detectable Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000002708 enhancing Effects 0.000 description 2
- 201000010759 hypertrophy of breast Diseases 0.000 description 2
- 229910052451 lead zirconate titanate Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000036961 partial Effects 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 239000004999 plastisol Substances 0.000 description 2
- 102000005962 receptors Human genes 0.000 description 2
- 108020003175 receptors Proteins 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000001052 transient Effects 0.000 description 2
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 2
- 206010011732 Cyst Diseases 0.000 description 1
- 210000001165 Lymph Nodes Anatomy 0.000 description 1
- 210000002445 Nipples Anatomy 0.000 description 1
- 241000700159 Rattus Species 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010047050 Vascular anomaly Diseases 0.000 description 1
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated Effects 0.000 description 1
- 235000013405 beer Nutrition 0.000 description 1
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 108010002255 deoxyhemoglobin Proteins 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting Effects 0.000 description 1
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 description 1
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000001537 neural Effects 0.000 description 1
- 238000009828 non-uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 230000035764 nutrition Effects 0.000 description 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000000750 progressive Effects 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 1
- 230000001960 triggered Effects 0.000 description 1
- 230000004614 tumor growth Effects 0.000 description 1
- 201000011528 vascular disease Diseases 0.000 description 1
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
[001] Настоящая международная заявка испрашивает приоритет согласно Разделу 35 Кодекса законов США §119(е) по предварительной заявке США с серийным номером 62/652,337, поданной 4 апреля 2018 г., которая полностью включена в настоящий документ посредством ссылки.[001] This international application claims priority under Section 35 U.S.C. §119(e) of U.S. provisional application serial number 62/652,337, filed April 4, 2018, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
Заявление о федеральном финансированииFederal Funding Statement
[002] Настоящее изобретение было сделано при государственной поддержке с грантом под номером R01CA167446, выданным Национальными институтами здравоохранения. Правительство имеет определенные права на настоящее изобретение.[002] The present invention was made with government support under grant number R01CA167446 from the National Institutes of Health. The government has certain rights to the present invention.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
[003] Настоящее изобретение относится к области систем биомедицинской визуализации и томографии, которые могут предоставлять медицинскую информацию о представляющей интерес объемной области исследуемого тела. Более конкретно, настоящее изобретение обеспечивает лазерную оптоакустическую ультразвуковую систему в сборе для формирования изображений (Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System Assembly, LOUISA) для количественной трехмерной томографии представляющей интерес области ткани у субъекта с получением анатомических изображений и изображений функциональных и молекулярных параметров.[003] The present invention relates to the field of biomedical imaging and tomography systems that can provide medical information about a volumetric area of interest of the body being examined. More specifically, the present invention provides a Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System Assembly (LOUISA) for quantitative 3D imaging of a tissue region of interest in a subject to obtain anatomical, functional and molecular imaging.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
[004] Как обнаружено Джудом Фолкманом (Judah Folkman) (1), агрессивный рак не может перерасти в опасное для жизни заболевание без поддержки питания и кислорода от микрососудов. Спектры оптического поглощения оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина в организме человека таковы, что они позволяют выбрать две длины волны в ближней инфракрасной области, которые при использовании с формированием изображений оптоакустической томографии, могут установить контраст оксигемоглобина и дезоксигемоглобина, полезный для обеспечения возможностей функциональной визуализаци (2). Различие между указанными двумя состояниями оксигенации гемоглобина позволяет локализовать артерии, питающие опухоли и вены, выходящие из опухолей. Ожидается, что благодаря этой возможности рентгенолог будет различать сильно васкуляризованные ткани и ткани с гипоксией роста злокачественной опухоли и рекомендовать биопсию с большей степенью уверенности, чем ожидается в настоящее время, когда 7-8 из 10 процедур биопсии дают отрицательные результаты (3). Эти оптоакустические изображения могут улучшить чувствительность обнаружения и специфичность медицинской диагностики по сравнению с использованием только ультразвука посредством обеспечения выдачи функциональной информации об общем гемоглобине (total hemoglobin, tHb) и насыщении крови кислородом (blood oxygen saturation, s02) в пределах опухолей и, отображаемых в морфологических тканевых структурах груди (4).[004] As discovered by Judah Folkman (1), aggressive cancer cannot develop into a life-threatening disease without the support of nutrition and oxygen from microvessels. The optical absorption spectra of oxygenated and deoxygenated hemoglobin in the human body are such that they allow a selection of two near-infrared wavelengths which, when used with optoacoustic tomography imaging, can establish an oxyhemoglobin/deoxyhemoglobin contrast useful for functional imaging capabilities (2). The difference between these two states of hemoglobin oxygenation makes it possible to localize the arteries that feed the tumors and the veins that exit the tumors. With this capability, it is expected that the radiologist will distinguish between highly vascularized tissues and tissues with hypoxic malignant growth and recommend a biopsy with greater confidence than is currently expected, with 7-8 out of 10 biopsies being negative (3). These optoacoustic images can improve the detection sensitivity and specificity of medical diagnosis compared to using ultrasound alone by providing functional information about total hemoglobin (tHb) and blood oxygen saturation (s02) within tumors and displayed in morphology. tissue structures of the breast (4).
[005] В связи с большой медицинской потребностью и большим рынком для усовершенствованных систем формирования изображения груди с начала 21-ого века был разработан ряд клинических прототипов систем, основанных на принципах оптоакустической томографии (5-12), и по сообщениям все они имеют достаточные технические возможности по обнаружению рака груди. Однако единственной системой, провереной в статистически значимых многоцентровых исследованиях с показанной по сообщениям клинической жизнеспособностью, является система IMAGIO (компания Seno Medical Instruments, Сан-Антонио, Техас, США) (3). Эта реализующая применение двух средств оптоакустическая/ультразвуковая система формирования изображения имеет преимущество удобства и возможности отображения частоты кадров видео в реальном времени, связанных с конструкцией, основанной на использовании удерживаемого в руке датчика (13). Однако удерживаемый в руке датчик с ограниченным полем обзора обеспечивает двумерные срезы, которые могут интерпретировать только высококвалифицированные рентгенологи, с пониженной разрешающей способностью в боковом направлении и неполным томографическим восстановлением яркости количественных изображений.[005] Due to the great medical need and the large market for advanced breast imaging systems, since the beginning of the 21st century, a number of clinical prototype systems based on the principles of optoacoustic tomography (5-12) have been developed, and all of them are reported to have sufficient technical ability to detect breast cancer. However, the only system tested in statistically significant multicenter studies with reported clinical viability is the IMAGIO system (Seno Medical Instruments, San Antonio, Texas, USA) (3). This dual opto-acoustic/ultrasonic imaging system has the advantage of the convenience and real-time video frame rate display capability associated with the hand-held sensor (13) design. However, the limited field-of-view hand-held transducer provides two-dimensional slices that only highly trained radiologists can interpret, with reduced lateral resolution and incomplete tomographic reconstruction of quantitative images.
[006] Следовательно, в данной области техники существует признанная потребность в трехмерных системах томографии, обеспечивающих полную обзорность, которые обеспечивают автоматический скрининг всей груди с количественно точными и легко интерпретируемыми объемными изображениями. В частности, в предшествующем уровне техники отсутствует количественная функциональная анатомическая система формирования изображения для скриннинга груди с одновременной диагностикой раковых опухолей. Более конкретно, изобретенная конструкция системы количественного формирования изображений, в которой функциональные и молекулярные изображения отображаются в анатомических тканевых структурах, визуализированных посредством совмещенных ультразвуковых изображений, имеет многочисленные применения при обнаружении рака и сосудистых заболеваний. Настоящее изобретение удовлетворяет эту давнюю потребность и необходимость в данной области техники.[006] Therefore, there is a recognized need in the art for full view 3D tomography systems that provide automatic screening of the entire breast with quantitatively accurate and easily interpretable volumetric images. In particular, the prior art lacks a quantitative functional anatomical imaging system for breast screening with simultaneous diagnosis of cancerous tumors. More specifically, the inventive quantitative imaging system design, in which functional and molecular images are displayed in anatomical tissue structures visualized by superimposed ultrasound images, has numerous applications in cancer and vascular disease detection. The present invention satisfies this longstanding need and need in the art.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION
[007] Настоящее изобретение относится к системе количественной томографии. В указанной системе лазер выполнен с возможностью испускания мгновенных импульсов лазерного излучения с длинами волн в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области, причем лазер выполнен с возможностью работы в режиме смены длин волн. Волоконно-оптический жгут выполнен с возможностью доставки мгновенных импульсов лазерного излучения ко всей представляющей интерес области ткани с максимальным пропусканием. Модуль формирования изображения содержит емкость для формирования изображения, имеющую форму, соответствующую представляющей интерес области ткани, по меньшей мере один оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей и по меньшей мере один ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей. Оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей выполнен с возможностью обнаружения ультразвуковых сигналов в пределах сверхширокой полосы ультразвуковых частот, генерируемых в представляющей интерес области ткани мгновенными импульсами лазерного излучения. Указанный по меньшей мере один ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей выполнен с возможностью передачи импульсов ультразвука в область ткани и обнаружения ультразвуковых сигналов, отраженных от указанной области ткани или переданных через указанную область ткани. Модуль формирования изображения также содержит связующую среду, которая заполняет емкость для формирования изображения и через которую обеспечена возможность передачи мгновенных импульсов лазерного излучения и импульсов ультразвука. Многоканальная электронная система сбора данных содержит аналоговые предварительные усилители, аналого-цифровые преобразователи и платы для хранилища цифровых данных, их обработки и передачи. Указанная система сбора данных выполнена управляемой микропроцессором (микропроцессорами) с программируемой пользователем вентильной матрицей. С многоканальной электронной системой сбора данных имеет электронную связь компьютер, который содержит многоядерный центральный процессор (central processing unit, CPU) и многоядерный графический процессор (graphics processing unit, GPU), и хранящееся в материальных средствах программное обеспечение, выполненное с возможностью управления указанными процессорами CPU и GPU, для управления системой, обработки сигналов, реконструкции изображений и совмещения изображений. С компьютером имеет электронное соединение дисплей с высоким разрешением, для представления реконструированного изображения оператору системы количественной томографии.[007] The present invention relates to a quantitative tomography system. In this system, the laser is configured to emit instantaneous pulses of laser radiation with wavelengths in the spectral range from the red part of the spectrum to the near infrared region, and the laser is configured to operate in the mode of changing wavelengths. The fiber optic bundle is configured to deliver instantaneous pulses of laser radiation to the entire tissue area of interest with maximum transmission. The imaging module comprises an imaging container shaped to correspond to the area of interest in the tissue, at least one optoacoustic array of ultra-wideband ultrasonic transducers, and at least one ultrasonic array of ultrasonic transducers. The optoacoustic array of ultra-wideband ultrasonic transducers is configured to detect ultrasonic signals within an ultra-wide band of ultrasonic frequencies generated in a tissue area of interest by instantaneous pulses of laser radiation. Said at least one ultrasonic array of ultrasonic transducers is configured to transmit ultrasound pulses to a tissue region and detect ultrasonic signals reflected from said tissue region or transmitted through said tissue region. The imaging module also contains a bonding medium that fills the imaging container and through which instantaneous laser radiation pulses and ultrasound pulses are transmitted. The multichannel electronic data acquisition system contains analog preamplifiers, analog-to-digital converters and boards for digital data storage, processing and transmission. Said data acquisition system is microprocessor-controlled (microprocessors) with a user-programmable gate array. With a multi-channel electronic data acquisition system, a computer is electronically connected, which contains a multi-core central processing unit (CPU) and a multi-core graphic processor (graphics processing unit, GPU), and software stored in material means, configured to control these CPU processors and GPU, for system control, signal processing, image reconstruction and image fusion. A high-resolution display is electronically connected to the computer to present the reconstructed image to the operator of the quantitative tomography system.
[008] Настоящее изобретение также относится к способу формирования изображения количественных или функциональных параметров в представляющей интерес области ткани у субъекта. Указанную область ткани размещают в емкости для формирования изображения системы количественной томографии, описанной в настоящем документе, а оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей и ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей позиционируют внутри емкости для формирования изображения. Выбирают длины волн лазерного излучения в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области для доставки в качестве мгновенных импульсов к указанной области ткани в режиме смены длин волн, и осуществляют доставку сменяющихся мгновенных импульсов лазерного излучения с выбранной длиной волны к указанной области ткани. Для каждой выбранной длины волны сигналы в пределах сверхширокой полосы ультразвуковых частот, генерируемых в пределах указанной области ткани, обнаруживают с помощью оптоакустического массива, и оптоакустические изображения из обнаруженных сигналов получают для каждой выбранной длины волны и выполняют их совмещение. Изображения количественных функциональных параметров или молекулярных параметров вырабатывают из совмещенных оптоакустических изображений, и отображают выработанные количественные изображения.[008] The present invention also relates to a method for imaging quantitative or functional parameters in a tissue region of interest in a subject. Said area of tissue is placed in an imaging vessel of the quantitative tomography system described herein, and an optoacoustic ultra-wideband ultrasonic transducer array and an ultrasonic array of ultrasonic transducers are positioned within the imaging vessel. Laser radiation wavelengths are selected in the spectral range from the red part of the spectrum to the near infrared region for delivery as instantaneous pulses to the specified tissue area in the mode of changing wavelengths, and the changing instantaneous pulses of laser radiation with the selected wavelength are delivered to the specified tissue area. For each selected wavelength, signals within the ultra-wide band of ultrasonic frequencies generated within a specified area of tissue are detected using an optoacoustic array, and optoacoustic images from the detected signals are obtained for each selected wavelength and superimposed. Images of quantitative functional parameters or molecular parameters are generated from the combined optoacoustic images, and the generated quantitative images are displayed.
[009] Настоящее изобретение относится к соответствующему способу формирования изображения. Указанный способ также включает передачу к указанной области ткани импульсов ультразвука от ультразвукового массива и обнаружение с помощью ультразвукового массива сигналов, отраженных от указанной области ткани или переданных через указанную область ткани. Осуществляют выработку изображений по скорости звука на основании распределения скорости звука в пределах указанной области ткани и анатомических изображений по отражению или затуханию ультразвука из обнаруженных ультразвуковых сигналов. Выполняют совмещение изображений количественных функциональных параметров или молекулярных параметров с анатомическими структурами, и совмещенные изображения отображают в виде наложения изображений количественных или функциональных параметров с анатомическими изображениями или изображениями по скорости звука. Настоящее изобретение относится еще к одному соответствующему способу, дополнительно включающему улучшение оптоакустических изображений и изображений по отражению или затуханию ультразвука посредством изображений по скорости звука. Настоящее изобретение относится еще к одному соответствующему способу, дополнительно включающему диагностирование рака исходя из количественных функциональных параметров или молекулярных параметров и анатомических структур, отображаемых на указанном наложении.[009] The present invention relates to a corresponding imaging method. Said method also includes transmitting ultrasonic pulses from an ultrasonic array to said tissue region and detecting, by means of an ultrasonic array, signals reflected from said tissue region or transmitted through said tissue region. The sound speed images are generated based on the sound speed distribution within the specified tissue area and anatomical images based on the reflection or attenuation of ultrasound from the detected ultrasound signals. The images of quantitative functional parameters or molecular parameters are combined with anatomical structures, and the combined images are displayed as an overlay of images of quantitative or functional parameters with anatomical images or sound speed images. The present invention relates to another suitable method further comprising enhancing optoacoustic images and ultrasound reflection or attenuation images with sound speed images. The present invention relates to another relevant method further comprising diagnosing cancer based on quantitative functional parameters or molecular parameters and anatomical structures displayed on said overlay.
[0010] Настоящее изобретение также относится к лазерной оптоакустической ультразвуковой системе в сборе для формирования изображений (Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System Assembly, LOUISA) для формирования изображений груди у субъекта. Лазер выполнен с возможностью испускания мгновенных импульсов лазерного излучения с длинами волн в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области, причем указанный лазер выполнен с возможностью работы в режиме смены двух или трех длин волн в указанном спектральном диапазоне. Дугообразный волоконно-оптический жгут выполнен с возможностью вращения вокруг груди для доставки мгновенных импульсов лазерного излучения ко всей груди. Емкость для формирования изображения имеет форму со сферической поверхностью, соответствующую груди. По меньшей мере один дугообразный оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей выполнен с возможностью обнаружения ультразвуковых сигналов в пределах сверхширокой полосы, составляющей от 50 кГц до 6 МГц, сгенерированных в груди мгновенными импульсами лазерного излучения и по меньшей один дугообразный ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей, выполненный с возможностью передачи импульсов ультразвука в грудь и обнаружения ультразвуковых сигналов, отраженных от груди или переданных через грудь. Оптически прозрачная и звукопроницаемая связующая среда заполняет емкость для формирования изображения, через которую обеспечена возможность передачи мгновенных импульсов лазерного излучения и импульсов ультразвука. Электронные средства в системе LOUISA содержат многоканальную электронную систему сбора данных, компьютер, имеющий электронную связь с многоканальной электронной системой сбора данных, и дисплей с высоким разрешением, имеющий электронное соединение с компьютером. Многоканальная электронная система сбора данных содержит аналоговые предварительные усилители, аналого-цифровые преобразователи и платы для хранилища цифровых данных, их обработки и передачи, при этом указанная система сбора данных выполнена управляемой микропроцессором (микропроцессорами) с программируемой пользователем вентильной матрицей. Компьютер содержит многоядерный центральный процессор (central processing unit, CPU) и многоядерный графический процессор (graphics processing unit, GPU), и хранящееся в материальных средствах программное обеспечение, выполненное с возможностью управления указанными процессорами CPU и GPU, для управления системой, обработки сигналов, реконструкции изображений и совмещения изображений. Дисплей с высоким разрешением представляет реконструированное изображение груди оператору системы LOUISA.[0010] The present invention also relates to a Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System Assembly (LOUISA) for imaging the breast of a subject. The laser is configured to emit instantaneous pulses of laser radiation with wavelengths in the spectral range from the red part of the spectrum to the near infrared region, and said laser is configured to operate in the mode of changing two or three wavelengths in the specified spectral range. The arcuate fiber optic bundle is rotatable around the chest to deliver instant pulses of laser radiation to the entire chest. The imaging container has a shape with a spherical surface corresponding to the breast. At least one arc-shaped optoacoustic array of ultra-wideband ultrasonic transducers is configured to detect ultrasonic signals within an ultra-wide band of 50 kHz to 6 MHz, generated in the chest by instantaneous laser radiation pulses and at least one arc-shaped ultrasonic array of ultrasonic transducers, configured to transmit pulses of ultrasound into the chest and detection of ultrasound signals reflected from the chest or transmitted through the chest. An optically transparent and sound-permeable bonding medium fills the imaging container through which instantaneous laser pulses and ultrasound pulses are transmitted. The electronics in the LOUISA system comprise a multi-channel electronic data acquisition system, a computer in electronic communication with the multi-channel electronic data acquisition system, and a high resolution display electronically connected to the computer. The multichannel electronic data acquisition system contains analog preamplifiers, analog-to-digital converters and boards for digital data storage, processing and transmission, while said data acquisition system is controlled by a microprocessor (microprocessors) with a user-programmable gate array. The computer contains a multi-core central processing unit (CPU) and a multi-core graphic processor (graphics processing unit, GPU), and software stored in material means, configured to control the specified CPU and GPU processors, for system control, signal processing, reconstruction images and image alignment. The high resolution display presents the reconstructed breast image to the LOUISA operator.
[0011] Другие и дополнительные аспекты, признаки, выгоды и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из последующего описания предпочтительных в настоящее время вариантов реализации изобретения, представленных с целью раскрытия.[0011] Other and additional aspects, features, benefits and advantages of the present invention will be apparent from the following description of the presently preferred embodiments of the invention presented for the purpose of disclosure.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0012] Таким образом, способ, которым изложенные выше признаки, преимущества и задачи изобретения, а также другие признаки, преимущества и задачи изобретения, которые станут ясны, достигнуты и могут быть понятны в деталях, более подробные описания изобретения, кратко изложенного выше, могут быть получены посредством ссылки на некоторые варианты их реализации, показанные на прилагаемых чертежах. Эти чертежи являются частью указанного раскрытия. Следует, однако, отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют предпочтительные варианты реализации изобретения, поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие их объем.[0012] Thus, in the manner in which the above features, advantages, and objects of the invention, as well as other features, advantages, and objects of the invention that become clear, achieved, and can be understood in detail, more detailed descriptions of the invention summarized above can be obtained by reference to some embodiments of their implementation shown in the accompanying drawings. These drawings are part of said disclosure. It should be noted, however, that the accompanying drawings illustrate preferred embodiments of the invention and should therefore not be construed as limiting their scope.
[0013] На ФИГ. 1А представлена базовая схема в виде эскиза для проведения оптоакустической томографии, обеспечивающей полную обзорность, OAT 1D, а на ФИГ. 1В-1Е изображена лазерная оптоакустическая ультразвуковая система в сборе для формирования изображений (Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System Assembly, LOUISA) для сканирования груди. На ФИГ. 1А показаны вращающиеся дугообразные волоконно-оптические облучатели, которые генерируют ультразвуковые волны из оптического поглощения опухолью, которые затем могут быть обнаружены независимо вращающимся оптоакустическим датчиком, что обеспечивает полный набор данных сигнала для точной объемной реконструкции. На ФИГ. 1 В представлен волоконно-оптический жгут с одной дугообразной волоконно-оптической лопастью (см. 7, на ФИГ. 1С). На ФИГ. 1С представлен волоконно-оптический жгут с двумя дугообразными волоконно-оптическими лопастями. На ФИГ. 1D показан модуль формирования изображения для сканирования крупной груди. Модуль формирования изображения имеет платформу 1 модуля формирования изображения, размещенную на крупном основании 2 для двигателя для вращения всей емкости 3 для формирования изображения вокруг груди. Модуль формирования изображения содержит емкость для формирования изображения, заполненную акустической связующей средой, при этом грудь стабилизируется внутри модуля формирования изображения с использованием стабилизатора груди (см. ФИГ. 1Е), который представляет собой очень тонкую оптически прозрачную и звукопроницаемую пластмассовую чашу со сферической поверхностью, вогнутый дугообразный массив 4 ультразвуковых преобразователей, вогнутый дугообразный массив 5 оптоакустических преобразователей, платы 6 предварительных усилителей, непосредственно соединенных с оптоакустическим датчиком, расширяющие полосу пропускания оптоакустических преобразователей, дугообразный волоконно-оптический жгут (волоконно-оптическая лопасть) 7 для облучения груди однородным лучом света, эта оптоволоконная система может иметь одну (см. ФИГ. 1В), две (см. ФИГ. 1С) или несколько дугообразных волоконно-оптических лопастей для более быстрого облучения всей груди и небольшой двигатель 8, с тем чтобы вращать дугообразную волоконно-оптическую лопасть вокруг чаши для визуализации. На ФИГ. 1Е показан стабилизатор груди.[0013] FIG. 1A is a basic schematic diagram for OAT 1D Optoacoustic Tomography, and FIG. 1B-1E show a Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System Assembly (LOUISA) for breast scanning. FIG. 1A shows rotating arc-shaped fiber optic irradiators that generate ultrasonic waves from optical absorption by the tumor, which can then be detected by an independently rotating optoacoustic transducer, providing a complete set of signal data for accurate volumetric reconstruction. FIG. 1B shows a fiber optic bundle with a single arcuate fiber optic blade (see 7 in FIG. 1C). FIG. 1C shows a fiber optic bundle with two arcuate fiber optic vanes. FIG. 1D shows an imaging module for scanning a large breast. The imaging module has an
[0014] На ФИГ. 2А-2В представлены виды, изображающие конструкцию, имеющую сферическую форму емкости для формирования изображения с одним дугообразным датчиком, состоящим из трех плоских двумерных массивов сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей. Один массив преобразователей служит как для формирования анатомического (ультразвукового), так и молекулярного (оптоакустического) изображений.[0014] FIG. 2A-2B are views showing a structure having a spherical shape of an imaging vessel with a single arcuate transducer composed of three planar 2D arrays of UWB ultrasonic transducers. One transducer array serves both anatomical (ultrasonic) and molecular (optoacoustic) imaging.
[0015] На ФИГ. 3 представлено схематическое изображение массива оптоакустических ультразвуковых преобразователей для цилиндрической системы трехмерной томографии, в которой либо полукольцо, либо полное кольцо оптоакустических преобразователей с прикрепленными волоконно-оптическими облучателями осуществляет поступательное перемещение вдоль оси z цилиндра для получения трехмерного изображения.[0015] FIG. 3 is a schematic representation of an array of optoacoustic ultrasonic transducers for a cylindrical 3D tomography system in which either a half ring or a full ring of optoacoustic transducers with attached fiber optic feeds translates along the z-axis of the cylinder to produce a 3D image.
[0016] На ФИГ. 4А-4 В представлена фотография фантома груди, изготовленного из поливинилхлорида-пластизоля с оптическими свойствами средней груди (meff~ 1,15/см) (ФИГ. 4А), и функциональное изображение насыщения крови кислородом в пределах фантома, реконструированного из двух совмещенных оптоакустических изображений, полученных при облучении фантома с двумя сменяющимися длинами волн, составляющими 757 нм и 797 нм, (ФИГ. 4В). На ФИГ. 5А-5В представлены оптоакустические двумерные изображения пары артерии/вены, полученные с помощью удерживаемого в руке датчика системы LOUISA. На ФИГ. 5А показано, что вена хорошо видна при облучении с длиной волны, составляющей 757 нм. На ФИГ. 5 В показано, что артерия хорошо видна при длине волны, составляющей 1064 нм.[0016] FIG. 4A-4B is a photograph of a breast phantom made of PVC-plastisol with the optical properties of a medium breast (m eff ~ 1.15/cm) (FIG. 4A) and a functional image of blood oxygen saturation within the phantom reconstructed from two combined optoacoustic images obtained by irradiating the phantom with two alternating wavelengths of 757 nm and 797 nm (FIG. 4B). FIG. 5A-5B are 2D optoacoustic images of an artery/vein pair taken with the LOUISA system's hand-held transducer. FIG. 5A shows that the vein is clearly visible under irradiation at a wavelength of 757 nm. FIG. 5B shows that the artery is clearly visible at a wavelength of 1064 nm.
[0017] На ФИГ. 6А-6С представлены примеры проекций максимальной интенсивности: на фронтальную плоскость х-у (ФИГ. 6А), на сагиттальную плоскость x-z (ФИГ. 6В) и y-z (ФИГ. 6С) трехмерных оптоакустических изображений, демонстрирующих возможности системы LOUISA для визуализации кровеносных сосудов, соска груди, заполненного микрососудами, и небольшого роста опухоли.[0017] FIG. 6A-6C are examples of maximum intensity projections on the frontal x-y plane (FIG. 6A), on the sagittal x-z plane (FIG. 6B) and y-z (FIG. 6C) three-dimensional optoacoustic images demonstrating the capabilities of the LOUISA system for imaging blood vessels, breast nipple filled with microvessels and small tumor growth.
[0018] На ФИГ. 7А-7С представлены проекционные изображения максимальной интенсивности груди здорового добровольца, полученные из трехмерного оптоакустического изображения, полученного на длине волны, составляющей 757 нм. На ФИГ. 7А представлено исходное необработанное изображение, которое изображает только поверхностные кровеносные сосуды вследствие неоднородного распределения оптической энергии через грудь. На ФИГ. 7В представлено оптоакустическое (OA) изображение, обработанное посредством нормализации (выравнивания) распределения энергии лазерного излучения на поверхности груди, которое изображает большую глубину формирования изображения. На ФИГ. 7С представлено оптоакустическое изображение, обработанное посредством компенсации для эффективного ослабления оптического излучения как функции глубины, которое изображает полную глубину формирования изображения в груди.[0018] FIG. 7A-7C are maximum intensity projection images of the chest of a healthy volunteer obtained from a 3D optoacoustic image taken at a wavelength of 757 nm. FIG. 7A shows the original raw image, which shows only superficial blood vessels due to the non-uniform distribution of optical energy across the chest. FIG. 7B is an optoacoustic (OA) image processed by normalizing (flattening) the distribution of laser light energy on the chest surface, which depicts a greater depth of imaging. FIG. 7C shows an optoacoustic image processed by compensation for effective optical attenuation as a function of depth, which depicts the full depth of imaging in the chest.
[0019] На ФИГ. 8 представлен пример сагиттального двумерного среза совмещенных трехмерных оптоакустического и ультразвукового изображений. Показан срез оптоакустического изображения с пороговым значением яркости для отображения только максимальной яркости, наложенной на соответствующие значения шкалы серого ультразвукового изображения.[0019] FIG. 8 is an example of a sagittal 2D slice of combined 3D optoacoustic and ultrasound images. An optoacoustic image slice is shown with a brightness threshold to display only the maximum brightness superimposed on the corresponding gray scale values of the ultrasound image.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION
[0020] При использовании в настоящем документе грамматические средства выражения единственного числа могут означать один или более. При использовании в настоящем документе в формуле изобретения, когда они используются вместе со словом "содержащий", грамматические средства выражения единственного числа могут означать один или более одного.[0020] As used herein, singular grammatical means may mean one or more. As used herein in claims, when used in conjunction with the word "comprising", singular grammatical means may mean one or more than one.
[0021] При использовании в настоящем документе выражения "еще один" или "другой" могут означать по меньшей мере второй или более из того же или другого элемента формулы изобретения или их компонентов. Аналогично, слово "или" предназначено для включения "и", если контекст явно не указывает иное. "Содержать" означает "включать".[0021] As used herein, "another" or "another" may refer to at least the second or more of the same or a different claim element or components thereof. Likewise, the word "or" is intended to include "and" unless the context clearly indicates otherwise. "Contain" means "to include".
[0022] При использовании в настоящем документе термин "приблизительно" относится к числовому значению, включая, например, целые числа, дроби и проценты, независимо оттого, указаны ли они явно или нет. Термин "приблизительно" в целом относится к диапазону числовых значений (например, +/- 5-10% от указанного значения), который специалист в данной области техники счел бы эквивалентным приведенному значению (например, имеющим ту же функцию или результат). В некоторых случаях термин "приблизительно" может включать числовые значения, округленные до ближайшего значащего числа.[0022] As used herein, the term "approximately" refers to a numerical value, including, for example, whole numbers, fractions, and percentages, whether explicitly stated or not. The term "about" generally refers to a range of numerical values (eg, +/- 5-10% of a specified value) that a person skilled in the art would consider equivalent to a given value (eg, having the same function or result). In some cases, the term "approximately" may include numerical values rounded to the nearest significant number.
[0023] В одном варианте реализации настоящего изобретения обеспечена система количественной томографии, содержащая лазер, выполненный с возможностью испускания мгновенных импульсов лазерного излучения с длинами волн в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области, причем указанный лазер выполнен с возможностью работы в режиме смены длин волн; волоконно-оптический жгут, выполненный с возможностью доставки мгновенных импульсов лазерного излучения ко всей представляющей интерес области ткани с максимальным пропусканием; модуль формирования изображения, содержащий емкость для формирования изображения, имеющую форму, соответствующую представляющей интерес области ткани; по меньшей мере один оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей, выполненный с возможностью обнаружения ультразвуковых сигналов в пределах сверхширокой полосы ультразвуковых частот, генерируемых в представляющей интерес области ткани мгновенными импульсами лазерного излучения; по меньшей мере один ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей, выполненный с возможностью передачи импульсов ультразвука в область ткани и обнаружения ультразвуковых сигналов, отраженных от указанной области ткани или переданных через указанную область ткани; и связующую среду, которая заполняет емкость для формирования изображения и через которую обеспечена возможность передачи мгновенных импульсов лазерного излучения и импульсов ультразвука; многоканальную электронную систему сбора данных, содержащую аналоговые предварительные усилители, аналого-цифровые преобразователи и платы для хранилища цифровых данных, их обработки и передачи, при этом указанная система сбора данных выполнена управляемой микропроцессором (микропроцессорами) с программируемой пользователем вентильной матрицей; компьютер, имеющий электронную связь с многоканальной электронной системой сбора данных и содержащий многоядерный центральный процессор (central processing unit, CPU) и многоядерный графический процессор (graphics processing unit, GPU), и хранящееся в материальных средствах программное обеспечение, выполненное с возможностью управления указанными процессорами CPU и GPU, для управления системой, обработки сигналов, реконструкции изображений и совмещения изображений; и дисплей с высоким разрешением, имеющий электронное соединение с компьютером, для представления реконструированного изображения оператору системы количественной томографии.[0023] In one embodiment of the present invention, a quantitative tomography system is provided, comprising a laser configured to emit instantaneous pulses of laser radiation with wavelengths in the spectral range from the red part of the spectrum to the near infrared region, and the specified laser is configured to operate in a shift mode wavelengths; a fiber optic bundle configured to deliver instantaneous pulses of laser radiation to the entire tissue area of interest with maximum transmission; an imaging module comprising an imaging container shaped according to the region of interest in the tissue; at least one ultra-wideband ultrasonic transducer optoacoustic array configured to detect ultrasonic signals within a ultra-wide band of ultrasonic frequencies generated in a tissue region of interest by instantaneous pulses of laser radiation; at least one ultrasonic array of ultrasonic transducers, configured to transmit ultrasound pulses to a tissue region and detect ultrasonic signals reflected from said tissue region or transmitted through said tissue region; and a bonding medium that fills the imaging container and through which instantaneous laser radiation pulses and ultrasound pulses are transmitted; a multichannel electronic data acquisition system containing analog preamplifiers, analog-to-digital converters and boards for digital data storage, processing and transmission, while said data acquisition system is controlled by a microprocessor (microprocessors) with a user-programmable gate array; a computer in electronic communication with a multi-channel electronic data acquisition system and containing a multi-core central processing unit (CPU) and a multi-core graphic processor (graphics processing unit, GPU), and software stored in tangible means, configured to control these CPU processors and GPU, for system control, signal processing, image reconstruction and image alignment; and a high resolution display electronically connected to a computer for presenting the reconstructed image to an operator of the quantitative tomography system.
[0024] В этом варианте реализации спектральный диапазон длин волн от красной части спектра до ближней инфракрасной области составляет приблизительно 650 нм до приблизительно 1250 нм. Также режим смены длин волн может включать две или три длины волны в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области. Согласно аспекту этого варианта реализации двумя сменяющимися длинами волн являются волны с длиной 757 нм и 850 нм. Согласно этому аспекту лазер может быть ОРО-лазером Nd:YAG с накачкой для количественной молекулярной визуализации. Согласно еще одному аспекту тремя сменяющимися длинами волн являются волны с длиной 757 нм, 800 нм и 850 нм или 757 нм, 800 нм и 1064 нм. Согласно этому аспекту лазер может быть Cr:LICAF лазером для количественной функциональной визуализации. Кроме того, максимальное пропускание мгновенных импульсов лазерного излучения может быть реализовано с помощью входного кончика с наплавлением горячим сплавом, который придает волокнам в жгуте сотовую форму.[0024] In this embodiment, the spectral wavelength range from red to near infrared is about 650 nm to about 1250 nm. Also, the wavelength change mode can include two or three wavelengths in the spectral range from the red part of the spectrum to the near infrared region. According to an aspect of this embodiment, the two alternate wavelengths are 757 nm and 850 nm. According to this aspect, the laser may be a pumped Nd:YAG OPO laser for quantitative molecular imaging. In yet another aspect, the three alternate wavelengths are 757 nm, 800 nm, and 850 nm, or 757 nm, 800 nm, and 1064 nm. In this aspect, the laser may be a Cr:LICAF quantitative functional imaging laser. In addition, maximum transmission of instantaneous laser pulses can be realized with a hot alloy entry tip that gives the fibers in the tow a honeycomb shape.
[0025] Также в этом варианте реализации сверхширокополосные ультразвуковые преобразователи в массиве могут обнаруживать ультразвуковые сигналы в пределах сверхширокой полосы от 50 кГц до 6 МГц. Согласно одному аспекту оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей и ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей объединены в один массив.[0025] Also in this embodiment, the UWB ultrasonic transducers in the array can detect ultrasonic signals within the UWB from 50 kHz to 6 MHz. According to one aspect, an optoacoustic array of ultra-wideband ultrasonic transducers and an ultrasonic array of ultrasonic transducers are combined into one array.
[0026] Кроме того, емкость для формирования изображения в модуле формирования изображения имеет форму сферической поверхности или цилиндрическую форму. Примером представляющей интерес области ткани является область ткани груди. Кроме того, в этом варианте реализации программное обеспечение обеспечивает выполнение исполняемых процессором инструкций для обработки сигналов и обработки изображений с получением изображений количественных концентраций молекул или функциональных параметров в пределах представляющей интерес области ткани или анатомических структур. Согласно аспектам указанные инструкции могут иметь конфигурацию для обеспечения: восстановления первоначальных профилей оптоакустического сигнала, генерируемого в указанной области ткани мгновенными лазерными импульсами, с использованием деконволюции функций акустико-электрических и пространственных импульсных откликов сверхширокополосного ультразвукового преобразователя от обнаруженных оптоакустических сигналов; реконструкции трехмерных изображений оптоакустической томографии указанной области ткани посредством строгих прямых алгоритмов или итеративных алгоритмов с использованием полного набора данных, полученных с геометрией, обеспечивающей полную обзорность; нормализации распределения падающей оптической плотности энергии на поверхности указанной области ткани посредством выравнивания яркости изображения всех вокселей поверхности; нормализации распределения падающей оптической плотности энергии по всей области ткани посредством компенсации для эффективного ослабления оптического излучения; отображения изображений коэффициента оптического поглощения после нормализации падающей оптической плотности энергии через указанную область ткани на оптоакустических изображениях оптической энергии, поглощенной в указанной области ткани; получения совмещенных оптоакустических изображений, полученных на двух или трех сменяющихся длинах волн лазера с получением количественных функциональных или молекулярных изображений; и получения изображений распределения скорости звука в пределах указанной области ткани, которые используются для улучшения контраста и разрешения совмещенных оптоакустических изображений или изображений по отражению и затуханию ультразвука.[0026] In addition, the imaging container in the imaging unit has a spherical surface shape or a cylindrical shape. An example of a tissue region of interest is the breast tissue region. In addition, in this embodiment, the software provides processor-executable signal processing and image processing instructions to obtain images of quantitative concentrations of molecules or functional parameters within a region of interest in tissue or anatomical structures. According to aspects, these instructions may be configured to: restore the original profiles of the optoacoustic signal generated in the specified region of the tissue by instantaneous laser pulses, using the deconvolution of the acoustic-electrical and spatial impulse response functions of the ultra-wideband ultrasonic transducer from the detected optoacoustic signals; reconstruction of three-dimensional images of optoacoustic tomography of the specified area of tissue by strict direct algorithms or iterative algorithms using a complete set of data obtained with a geometry that provides full visibility; normalizing the distribution of the incident optical energy density on the surface of the specified tissue area by equalizing the brightness of the image of all surface voxels; normalizing the distribution of the incident optical energy density over the entire area of the tissue by compensation for effective attenuation of the optical radiation; displaying images of the optical absorption coefficient after normalization of the incident optical energy density through the specified tissue area on optoacoustic images of optical energy absorbed in the specified tissue area; obtaining combined optoacoustic images obtained at two or three alternating laser wavelengths to obtain quantitative functional or molecular images; and obtaining images of the distribution of the speed of sound within the specified area of tissue, which are used to improve the contrast and resolution of the combined optoacoustic images or ultrasound reflection and attenuation images.
[0027] В соответствующем варианте реализации настоящего изобретения обеспечена лазерная оптоакустическая ультразвуковая система в сборе для формирования изображений (Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System Assembly, LOUISA) для формирования изображений груди у субъекта, содержащая лазер, выполненный с возможностью испускания мгновенных импульсов лазерного излучения с длинами волн в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области, причем указанный лазер выполнен с возможностью работы в режиме смены длин волн с двумя или тремя длинами волн в указанном спектральном диапазоне; дугообразный волоконно-оптический жгут, выполненный с возможностью вращения вокруг груди для доставки мгновенных импульсов лазерного излучения ко всей груди; емкость для формирования изображения, имеющую форму со сферической поверхностью, соответствующую груди; по меньшей мере один дугообразный оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей, выполненный с возможностью обнаружения ультразвуковых сигналов в пределах сверхширокой полосы, составляющей от 50 кГц до 6 МГц, сгенерированных в груди мгновенными импульсами лазерного излучения; по меньшей один дугообразный ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей, выполненный с возможностью передачи импульсов ультразвука в грудь и обнаружения ультразвуковых сигналов, отраженных от груди или переданных через грудь; оптически прозрачную и звукопроницаемую связующую среду, которая заполняет емкость для формирования изображения и через которую обеспечена возможность передачи мгновенных импульсов лазерного излучения и импульсов ультразвука; и электронную подсистему, содержащую многоканальную электронную систему сбора данных, содержащую аналоговые предварительные усилители, аналого-цифровые преобразователи и платы для хранилища цифровых данных, их обработки и передачи, при этом указанная система сбора данных выполнена управляемой микропроцессором (микропроцессорами) с программируемой пользователем вентильной матрицей; компьютер, имеющий электронную связь с многоканальной электронной системой сбора данных и содержащий многоядерный центральный процессор (central processing unit, CPU) и многоядерный графический процессор (graphics processing unit, GPU), и хранящееся в материальных средствах программное обеспечение, выполненное с возможностью управления указанными процессорами CPU и GPU, для управления системой, обработки сигналов, реконструкции изображений и совмещения изображений; и дисплей с высоким разрешением, имеющий электронное соединение с компьютером, для представления реконструированного изображения груди оператору системы LOUISA.[0027] In a related embodiment of the present invention, there is provided a Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System Assembly (LOUISA) for imaging the chest of a subject, comprising a laser configured to emit instantaneous pulses of laser radiation at wavelengths in the spectral range from the red part of the spectrum to the near infrared region, and the specified laser is configured to operate in the mode of changing wavelengths with two or three wavelengths in the specified spectral range; an arcuate fiber optic bundle rotatable around the chest to deliver instant pulses of laser radiation to the entire chest; an imaging container having a shape with a spherical surface corresponding to a breast; at least one arc-shaped optoacoustic array of ultra-wideband ultrasonic transducers, configured to detect ultrasonic signals within an ultra-wide band of 50 kHz to 6 MHz, generated in the chest by instantaneous pulses of laser radiation; at least one arc-shaped ultrasonic array of ultrasonic transducers, configured to transmit ultrasound pulses to the chest and detect ultrasonic signals reflected from the chest or transmitted through the chest; an optically transparent and sound-transmitting binding medium which fills the imaging container and through which instantaneous laser pulses and ultrasound pulses are transmitted; and an electronic subsystem containing a multi-channel electronic data acquisition system containing analog preamplifiers, analog-to-digital converters and boards for digital data storage, processing and transmission, while said data acquisition system is controlled by a microprocessor (microprocessors) with a user-programmable gate array; a computer in electronic communication with a multi-channel electronic data acquisition system and containing a multi-core central processing unit (CPU) and a multi-core graphic processor (graphics processing unit, GPU), and software stored in tangible means, configured to control these CPU processors and GPU, for system control, signal processing, image reconstruction and image alignment; and a high resolution display electronically connected to a computer for presenting the reconstructed breast image to a LOUISA system operator.
[0028] В этом варианте реализации двумя сменяющимися длинами волн могут быть волны с длиной 757 нм и 850 нм. Также в этом варианте реализации тремя сменяющимися длинами волн являются волны с длиной 757 нм, 800 нм и 850 нм или 757 нм, 800 нм и 1064 нм. Кроме того, оптоакустический массив сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей и ультразвуковой массив ультразвуковых преобразователей могут быть объединены в один массив. Кроме того, дугообразный волоконный жгут, дугообразный оптоакустический массив и дугообразный ультразвуковой массив выполнены с возможностью независимого вращения вокруг груди для облучения всей груди для каждого положения оптоакустического массива и ультразвукового массива.[0028] In this embodiment, the two alternating wavelengths may be 757 nm and 850 nm. Also in this embodiment, the three alternate wavelengths are 757 nm, 800 nm, and 850 nm, or 757 nm, 800 nm, and 1064 nm. In addition, the optoacoustic array of ultra-wideband ultrasonic transducers and the ultrasonic array of ultrasonic transducers can be combined into one array. In addition, the arcuate fiber bundle, the arcuate optoacoustic array, and the arcuate ultrasonic array are configured to independently rotate around the chest to irradiate the entire chest for each position of the optoacoustic array and the ultrasonic array.
[0029] Еще в одном варианте реализации настоящего изобретения обеспечен способ формирования изображения количественных или функциональных параметров в представляющей интерес области ткани у субъекта, включающий следующие этапы: размещение указанной области ткани в емкости для формирования изображения системы количественной томографии, как описано выше; позиционирование оптоакустического массива сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей и ультразвукового массива ультразвуковых преобразователей внутри емкости для формирования изображения; выбор длин волн лазерного излучения в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области для доставки в качестве мгновенных импульсов к указанной области ткани в режиме смены длин волн; доставку к объему указанной ткани сменяющихся мгновенных импульсов лазерного излучения с выбранной длиной волны; обнаружение с помощью оптоакустического массива для каждой выбранной длины волны сигналов в пределах сверхширокой полосы ультразвуковых частот, генерируемых в пределах указанной области ткани; получение оптоакустических изображений из обнаруженных сигналов для каждой выбранной длины волн; совмещение оптоакустических изображений; выработку изображений количественных функциональных параметров или молекулярных параметров из совмещенных оптоакустических изображений и отображение выработанных количественных изображений.[0029] In yet another embodiment, the present invention provides a method for imaging quantitative or functional parameters in a tissue region of interest in a subject, comprising the steps of: placing said tissue region in a container for imaging a quantitative tomography system as described above; positioning the optoacoustic array of ultra-wideband ultrasonic transducers and the ultrasonic array of ultrasonic transducers inside the imaging container; selection of wavelengths of laser radiation in the spectral range from the red part of the spectrum to the near infrared region for delivery as instantaneous pulses to the specified tissue area in the mode of changing wavelengths; delivery to the volume of the specified tissue changing instantaneous pulses of laser radiation with a selected wavelength; detecting with an optoacoustic array, for each selected wavelength, signals within an ultra-wide band of ultrasonic frequencies generated within a specified tissue area; obtaining optoacoustic images from the detected signals for each selected wavelength; combination of optoacoustic images; generating images of quantitative functional parameters or molecular parameters from the combined optoacoustic images; and displaying the generated quantitative images.
[0030] В дополнение к этому варианту реализации способ включает передачу к указанной области ткани импульсов ультразвука от ультразвукового массива; обнаружение с помощью ультразвукового массива сигналов, отраженных от указанной области ткани или переданных через указанную область ткани; выработку изображений по скорости звука на основании распределения скорости звука в пределах указанной области ткани; выработку анатомических изображений по отражению или затуханию ультразвука из обнаруженных ультразвуковых сигналов; совмещение изображений количественного функционального параметра или молекулярных параметров в пределах анатомических структур и отображение совмещенных изображений в виде наложения изображений количественных или функциональных параметров с анатомическими изображениями или изображениями по скорости звука. Еще в одном дополнительном варианте реализации способ включает улучшение оптоакустических изображений и изображений по отражению или затуханию ультразвука посредством изображений по скорости звука. Еще в одном дополнительном варианте реализации способ включает диагностирование рака исходя из функциональных параметров или молекулярных параметров и анатомических изображений, отображаемых на указанном наложении. Примером рака является рак груди.[0030] In addition to this embodiment, the method includes transmitting to the specified area of the tissue pulses of ultrasound from the ultrasound array; detecting, using an ultrasonic array, signals reflected from said tissue region or transmitted through said tissue region; generating images at the speed of sound based on the distribution of the speed of sound within the specified region of the tissue; generation of anatomical images based on the reflection or attenuation of ultrasound from the detected ultrasound signals; aligning images of a quantitative functional parameter or molecular parameters within anatomical structures; and displaying the combined images as an overlay of the quantitative or functional parameters images with anatomical or sound velocity images. In yet another further implementation, the method includes enhancing optoacoustic and ultrasonic reflection or attenuation images with sound speed images. In yet another further embodiment, the method includes diagnosing cancer based on functional parameters or molecular parameters and anatomical images displayed on said overlay. An example of cancer is breast cancer.
[0031] Во всех вариантах реализации обнаружение сигналов, сгенерированных на каждой выбранной длине волны, может происходить одновременно. Также во всех вариантах реализации количественный функциональный параметр может содержать концентрацию белка, белка-рецептора или молекулы, связанной с раком груди, или комбинацию указанного. Кроме того, молекулярный параметр может представлять собой общий гемоглобин или насыщение крови кислородом или комбинацию указанного.[0031] In all implementations, the detection of signals generated at each selected wavelength may occur simultaneously. Also, in all embodiments, the quantitative functional parameter may comprise the concentration of a protein, a receptor protein, or a molecule associated with breast cancer, or a combination of these. In addition, the molecular parameter may be total hemoglobin or blood oxygen saturation, or a combination of these.
[0032] Согласно одному аспекту всех вариантов реализации представляющая интерес область ткани может иметь сферическую форму, а массивы преобразователей являются дугообразными, массивы преобразователей вращаются вокруг представляющей интерес области посредством двигателя, управляемого компьютером. Также, для имеющей сферическую форму представляющей интерес области ткани волоконный жгут вращается вокруг представляющей интерес области независимо от вращающихся массивов преобразователей, так что во время сканирования достигается полное облучение представляющей интерес области ткани для каждого положения массивов преобразователей.[0032] In one aspect of all embodiments, the tissue region of interest may be spherical and the transducer arrays arcuate, the transducer arrays rotating around the region of interest by a computer controlled motor. Also, for a spherical tissue region of interest, the fiber tow rotates around the region of interest independently of the rotating transducer arrays so that during scanning, complete exposure of the tissue region of interest is achieved for each position of the transducer arrays.
[0033] Согласно еще одному аспекту всех вариантов реализации представляющая интерес область ткани может иметь цилиндрическую форму, а массивы преобразователей могут быть дугообразными или иметь форму полного кольца и осуществлять поступательное перемещение вдоль представляющей интерес области посредством двигателя, управляемого компьютером. Также для имеющей цилиндрическую форму представляющей интерес области ткани, волоконный жгут осуществляет поступательное перемещение вдоль оси цилиндра вместе с массивами преобразователей.[0033] According to another aspect of all embodiments, the tissue region of interest may be cylindrical in shape and the transducer arrays may be arcuate or full ring shaped and translate along the region of interest by a computer controlled motor. Also for a cylindrical tissue region of interest, the fiber tow is translated along the axis of the cylinder along with the transducer arrays.
[0034] Трехмерная (3D) медицинская система формирования объемного изображения, обеспечивающая полную обзорность, была разработана для удовлетворения потребностей рентгенологов-диагностов в системе количественной томографии (quantitative tomography system, QT-System), способной предоставлять количественную молекулярную информацию в конкретных анатомических структурах, таких как опухоли и их окружение. Одним из многих важных применений такой системы является обнаружение и диагностирование рака. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает лазерную оптоакустическую ультразвуковую систему в сборе для формирования изображений (Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System Assembly, LOUISA) для обнаружения и диагностирования рака груди.[0034] A three-dimensional (3D) medical volumetric imaging system providing full visibility was developed to meet the needs of radiologists-diagnostics in a quantitative tomography system (quantitative tomography system, QT-System), capable of providing quantitative molecular information in specific anatomical structures, such as like tumors and their environment. One of the many important applications of such a system is the detection and diagnosis of cancer. Thus, the present invention provides a Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System Assembly (LOUISA) for detecting and diagnosing breast cancer.
[0035] Технические признаки этой системы способствуют улучшению низкой чувствительности обнаружения рентгеновских средств маммографии и томографической реконструкции в плотной и неоднородной груди и низкой диагностической специфичности магнитно-резонансной томографии. По нашему мнению, совмещение количественно точных молекулярных изображений груди, показывающих функциональные параметры общего гемоглобина (total hemoglobin, tHb) и насыщения крови кислородом (blood oxygen saturation, sO2), в морфологических структурах груди, включая опухоли и их окружение, обеспечит клинически пригодное решение для ведения рака груди. Количественная молекулярная визуализация в системе LOUISA обеспечивается уникальными аппаратными характеристиками и программными методами, а также алгоритмами оптоакустической подсистемы, описанной ниже. Анатомическая визуализация конкретных структур в пределах представляющей интерес области (region of interest, ROI) ткани, таких как опухоли, обеспечивается уникальными аппаратными характеристиками и программными методами, а также алгоритмами ультразвуковой подсистемы, описанной ниже. Что делает эту систему не только клинически пригодной, но и практичной, так это новая конструкция сбора сигналов и сканирования, которая обеспечивает быстрое объемное трехмерное сканирование всей представляющей интерес области, добавляя четвертое измерение времени к трехмерным возможностям системы. В конечном итоге система способна создавать трехмерные изображения с временным разрешением, а не только с пространственным разрешением.[0035] The technical features of this system contribute to improving the low detection sensitivity of mammography x-rays and tomographic reconstruction in dense and heterogeneous breasts and the low diagnostic specificity of magnetic resonance imaging. In our opinion, the combination of quantitatively accurate molecular images of the breast, showing the functional parameters of total hemoglobin (tHb) and blood oxygen saturation (sO2), in the morphological structures of the breast, including tumors and their environment, will provide a clinically useful solution for management of breast cancer. Quantitative molecular imaging in the LOUISA system is supported by unique hardware features and software methods, as well as the algorithms of the optoacoustic subsystem, described below. Anatomical imaging of specific structures within a region of interest (ROI) tissue, such as tumors, is enabled by unique hardware and software techniques, as well as the algorithms of the ultrasound subsystem described below. What makes this system not only clinically viable but also practical is a novel signal acquisition and scanning design that provides fast 3D volumetric scanning of the entire region of interest, adding a fourth dimension of time to the system's 3D capabilities. Ultimately, the system is able to create 3D images with temporal resolution, not just spatial resolution.
Обзор системыSystem overview
[0036] Система количественной томографии имеет шесть основных компонентов, которые обеспечивают ее работу и новые функции и возможности:[0036] The quantitative tomography system has six main components that provide its operation and new functions and capabilities:
[0037] 1. Импульсный лазер, испускающий мгновенные импульсы оптической энергии в спектральном диапазоне от красной части спектра до ближней инфракрасной области с возможностью смены длины волн. "Мгновенные импульсы" при использовании в настоящем документе означают, что длительность этих лазерных импульсов намного меньше, чем время, необходимое для распространения акустической волны со скоростью звука через воксел для обеспечения разрешения на оптоакустических изображениях. Например, если желаемое разрешение изображения, т.е. размер воксела составляет 0,15 мм, то, учитывая, что скорость звука составляет 1,5 мм в микросекунду, время, необходимое для распространения акустической волны через этот воксел, составляет 0,1 микросекунды. "Намного меньше" означает по меньшей мере в три раза меньше. Следовательно, для этого конкретного примера лазерные импульсы будут меньше 30 нсек. Также недопустимы слишком короткие импульсы, так как они могут повредить оптические элементы системы, в первую очередь волоконно-оптической подсистемы доставки света.[0037] 1. A pulsed laser that emits instantaneous pulses of optical energy in the spectral range from the red part of the spectrum to the near infrared region with the possibility of changing the wavelength. "Instantaneous pulses" as used herein means that the duration of these laser pulses is much less than the time required for an acoustic wave to propagate at the speed of sound through a voxel to provide resolution in optoacoustic images. For example, if the desired image resolution, i.e. the voxel size is 0.15 mm, then given that the speed of sound is 1.5 mm per microsecond, the time required for an acoustic wave to propagate through this voxel is 0.1 microsecond. "Much less" means at least three times less. Therefore, for this particular example, the laser pulses will be less than 30 nsec. Too short pulses are also unacceptable, since they can damage the optical elements of the system, primarily the fiber-optic subsystem for delivering light.
[0038] Спектральный диапазон от красной части спектра до ближней инфракрасной области представляет собой диапазон длин волн от 650 нм до 1250 нм. Этот диапазон длин волн важен для глубокого проникновения оптической энергии в биологическую ткань и одновременно для сильного оптического поглощения важными с медицинской точки зрения молекулами, такими как гемоглобин, оксигемоглобин, липиды, вода и экзогенные контрастные вещества, используемые при медицинской диагностике и терапии. Способность менять длины волн означает, что длина испускаемой волны изменяется с каждым лазерным импульсом. Оптимальное количество длин волн, выбираемых для количественной молекулярной визуализации, равно двум, что соответствует двум неизвестным концентрациям молекул или двум неизвестным функциональным параметрам.[0038] The spectral range from the red part of the spectrum to the near infrared region is the wavelength range from 650 nm to 1250 nm. This wavelength range is important for deep penetration of optical energy into biological tissue and at the same time for strong optical absorption by medically important molecules such as hemoglobin, oxyhemoglobin, lipids, water and exogenous contrast agents used in medical diagnostics and therapy. The ability to change wavelengths means that the emitted wavelength changes with each laser pulse. The optimal number of wavelengths to select for quantitative molecular imaging is two, which corresponds to two unknown concentrations of molecules or two unknown functional parameters.
[0039] Если молекулами, представляющими интерес, являются гемоглобин и оксигемоглобин, изображения, отображающие функциональные параметры общего гемоглобина (total hemoglobin, tHb) и насыщения крови кислородом (blood oxygen saturation, sO2), называются функциональными изображениями. Эти изображения могут быть вычислены на основании оптоакустических изображений, полученных на двух длинах волн, одна из которых соответствует пику оптического поглощения гемоглобина, например 757 нм, а другая соответствует пику оптического поглощения в оксигемоглобине, например 850 нм. Две длины волны также необходимы для измерения и для отображения концентрации эндогенной молекулы или экзогенного контрастного вещества. В этом случае одну длину волны выбирают на пике оптического поглощения молекулы, представляющей интерес, а вторую длину волны выбирают вне пика оптического поглощения этой молекулы, представляющей интерес.[0039] When the molecules of interest are hemoglobin and oxyhemoglobin, images showing functional parameters of total hemoglobin (tHb) and blood oxygen saturation (sO2) are called functional images. These images can be calculated from optoacoustic images taken at two wavelengths, one corresponding to the optical absorption peak of hemoglobin, eg 757 nm, and the other corresponding to the optical absorption peak in oxyhemoglobin, eg 850 nm. Two wavelengths are also needed to measure and display the concentration of an endogenous molecule or exogenous contrast agent. In this case, one wavelength is chosen at the optical absorption peak of the molecule of interest, and the second wavelength is chosen outside the optical absorption peak of the molecule of interest.
[0040] Для увеличения точности количественной информации из молекулярных или функциональных изображений волны могут быть использованы три сменяющиеся длины. Например, может быть использована третья длина волны, составляющая 800 нм, для функциональной визуализации общего гемоглобина и насыщения крови кислородом. Эта третья длина волны может быть использована для нормализации функциональных изображений, потому что она соответствует изобестической точке в спектре оптического поглощения, где коэффициенты поглощения гемоглобина и оксигемоглобина равны. Использование более трех длин волны в цикле нецелесообразно для формирования медицинского изображения, так как общее время получения изображения для получения количественных изображений должно быть как можно короче.[0040] Three alternating wavelengths can be used to increase the accuracy of quantitative information from molecular or functional waveform images. For example, a third wavelength of 800 nm can be used for functional imaging of total hemoglobin and blood oxygen saturation. This third wavelength can be used to normalize functional images because it corresponds to the isosbestic point in the optical absorption spectrum where the absorption coefficients of hemoglobin and oxyhemoglobin are equal. Using more than three wavelengths per cycle is not practical for medical imaging because the total imaging time for quantitative imaging should be as short as possible.
[0041] Способность менять длины волн критически важно для совмещения оптоакустических изображений, что обеспечивает возможность выработки молекулярных (функциональных) изображений с помощью математических операций, таких как сложение, вычитание и деление. Только совмещенные изображения могут быть подвергнуты математическим операциям, иначе результирующее изображение будет иметь очень большой уровень ошибок. Совмещение изображений выполняют, когда каждый воксел одного изображения имеет то же местоположение (координаты), что и на втором изображении, что может быть достигнуто только в том случае, если живые ткани не перемещаются в тот момент времени, когда получены оба изображения. Следовательно, два изображения должны быть получены одновременно или как можно скорее одно за другим, чтобы выполнить совмещение. Желательная частота повторения лазерных импульсов составляет от 10 Гц до 50 Гц, что позволяет выдерживать временную задержку от 100 мс до 20 мс между изображениями, полученными на двух отличающихся длинах волн. Однако можно уменьшить временную задержку между получением двух изображений до минимума, который равен времени распространения ультразвука от самого дальнего воксела в представляющей интерес области к ультразвуковым преобразователям в массиве детекторов (приблизительно 0,15 мс). Это окончательное совмещение может быть достигнуто с помощью конструкции с двумя лазерами, которая позволяет запускать испускание на двух сменяющихся длинах волн с любой заданной задержкой. Это, в свою очередь, позволяет записывать два последовательных оптоакустических сигнала, полученных на двух сменяющихся длинах волн, в виде одного сигнала, записанного системой сбора данных, с положениями первой выборки в каждом оптоакустическом сигнале, точно определяемом триггером синхронизации.[0041] The ability to change wavelengths is critical for optoacoustic image alignment, which allows molecular (functional) images to be generated using mathematical operations such as addition, subtraction, and division. Only merged images can be subjected to mathematical operations, otherwise the resulting image will have a very high level of errors. Image registration is performed when each voxel of one image has the same location (coordinates) as in the second image, which can only be achieved if living tissues are not moving at the time when both images are acquired. Therefore, two images must be acquired at the same time or as soon as possible one after the other in order to perform registration. The desired laser pulse repetition rate is from 10 Hz to 50 Hz, which allows a time delay of 100 ms to 20 ms between images taken at two different wavelengths. However, it is possible to reduce the time delay between acquisition of two images to a minimum, which is equal to the propagation time of ultrasound from the farthest voxel in the area of interest to the ultrasound transducers in the detector array (approximately 0.15 ms). This final alignment can be achieved with a dual laser design that allows emission to be triggered at two alternating wavelengths with any given delay. This, in turn, allows two successive optoacoustic signals acquired at two alternating wavelengths to be recorded as a single signal recorded by the data acquisition system, with the first sample positions in each optoacoustic signal precisely determined by the synchronization trigger.
[0042] 2. Подсистема волоконно-оптической доставки света (Fiberoptic Light Delivery, FLD). Волоконно-оптический жгут имеет круглый вход, соответствующий форме падающего лазерного луча. Волокна в кончике наплавлены горячим сплавом с получением сотовой формы. Шестиугольная форма волокон в жгуте позволяет минимизировать потери света между волокнами и добиться максимального пропускания света на выход (до 85%). Форма выхода соответствует форме представляющей интерес области ткани. Поскольку большинство представляющих интерес областей человеческих органов имеют либо сферическую, либо цилиндрическую форму, наиболее выгодной формой оптоволоконного выхода является дуга. Дугу можно хорошо аппроксимировать с помощью ряда плоских линий, расположенных в форме дуги. Множество дугообразных волоконно-оптических жгутов могут быть использованы для увеличения части представляющей интерес области, которую подвергают облучению одновременно одним и тем же лазерным импульсом. Например, грудь является представляющей интерес областью для формирования диагностического изображения рака груди. Поскольку естественная форма женской груди представляет собой полусферу, конструкция подсистемы волоконно-оптической доставки света представляет собой дугу с углом 90 градусов или множество дуг, исходящих из одного центра, как лепестки цветка (ФИГ. 1А-1С). Для других органов и представляющих интерес областей, таких как шея, руки, ноги, пальцы, выход волоконно-оптической доставки света также имеет форму дуги, и множество дуг волокон могут иметь форму цилиндрических поверхностей. Подсистема волоконно-оптической доставки света размещена на двигателе, управляемом компьютером, поэтому ее можно вращать или поступательно перемещать для облучения всей представляющей интерес области (ФИГ. 1D).[0042] 2. Fiberoptic Light Delivery (FLD) subsystem. The fiber optic bundle has a round entrance that matches the shape of the incident laser beam. The fibers at the tip are hot welded to form a honeycomb shape. The hexagonal shape of the fibers in the bundle minimizes light losses between the fibers and achieves maximum light transmission to the output (up to 85%). The exit shape corresponds to the shape of the area of interest in the tissue. Since most areas of interest in human organs are either spherical or cylindrical, the most advantageous form of fiber optic output is an arc. An arc can be well approximated by a series of flat lines arranged in an arc shape. A plurality of arcuate fiber optic bundles can be used to enlarge the portion of the area of interest that is exposed to the same laser pulse at the same time. For example, the breast is an area of interest for diagnostic imaging of breast cancer. Since the natural shape of the female breast is a hemisphere, the design of the fiber optic light delivery subsystem is a 90 degree arc or multiple arcs emanating from the same center like flower petals (FIGS. 1A-1C). For other organs and areas of interest such as the neck, arms, legs, fingers, the output of the fiber optic light delivery is also in the form of an arc, and a plurality of fiber arcs may be in the form of cylindrical surfaces. The fiber optic light delivery subsystem is mounted on a computer controlled motor so that it can be rotated or translated to illuminate the entire area of interest (FIG. 1D).
[0043] 3. Модуль формирования изображения с двумя датчиками, представленными массивами ультразвуковых преобразователей, чувствительных к кратковременным изменениям давления. Первый датчик является оптоакустическим (OA) датчиком, представленным дугообразным массивом сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей (ultrawide-band ultrasonic transducer, UBT), работающих в режиме приема. Второй датчик является ультразвуковым (УЗ) датчиком, представленным дугообразным массивом ультразвуковых преобразователей, работающих в режимах передачи и приема. Дугообразная форма датчиков может быть представлена с помощью ряда плоских линий, расположенных вдоль дуги. Дугообразная форма датчиков позволяет значительно увеличить акустическую апертуру при малых физических размерах и, в свою очередь, обеспечивает высокое разрешение изображений в боковом направлении.[0043] 3. An imaging module with two sensors represented by arrays of ultrasonic transducers sensitive to transient pressure changes. The first sensor is an optoacoustic (OA) sensor represented by an arcuate array of ultrawide-band ultrasonic transducers (UBT) operating in receive mode. The second sensor is an ultrasonic (US) sensor, represented by an arcuate array of ultrasonic transducers operating in transmit and receive modes. The arcuate shape of the sensors can be represented by a series of flat lines along the arc. The arcuate shape of the transducers makes it possible to significantly increase the acoustic aperture at small physical dimensions and, in turn, provides high image resolution in the lateral direction.
[0044] Оба датчика размещены в оптически прозрачной звукопроницаемой емкости, которая, в свою очередь, соединена с двигателем, управляемым компьютером, (независимо от двигателя, используемого для вращения или поступательного перемещения подсистемы волоконно-оптической доставки света), которая может вращаться вокруг сферической области ткани, представляющей интерес, или осуществлять поступательное перемещение вдоль оси симметрии цилиндрической области ткани, представляющей интерес. Вращение и поступательное перемещение датчиков вокруг представляющей интерес области ткани позволяет собирать полные наборы данных для формирования изображений, обеспечивающих полную обзорность, и, в свою очередь, реконструировать количественные томографические изображения. Независимость от двигателя подсистемы волоконно-оптической доставки света и двигателя емкости для формирования изображения обеспечивает возможность полного облучения всей представляющей интерес области ткани для каждого положения датчиков. Такое полное облучение всего крупного органа достигается с помощью менее дорогого лазера с меньшей импульсной энергией, что делает систему количественной томографии более практичной.[0044] Both sensors are placed in an optically transparent sound-permeable container, which, in turn, is connected to a computer-controlled motor (regardless of the motor used to rotate or translate the fiber optic light delivery subsystem), which can rotate around a spherical area tissue of interest, or to carry out translational movement along the axis of symmetry of the cylindrical region of the tissue of interest. The rotation and translation of the sensors around the area of interest in the tissue allows you to collect complete sets of data for imaging, providing full visibility, and, in turn, to reconstruct quantitative tomographic images. The independence of the engine of the fiber optic light delivery subsystem and the engine of the imaging container allows complete illumination of the entire area of interest in the tissue for each position of the sensors. This full irradiation of the entire large organ is achieved with a less expensive laser with lower pulsed energy, which makes the quantitative tomography system more practical.
[0045] В качестве альтернативы, оптоакустические и ультразвуковые датчики могут быть объединены в один датчик, который служит целям как молекулярной визуализации, так и анатомической визуализации, что делает систему количественной томографии менее дорогой и более компактной. Кроме того, цель совмещения молекулярных (оптоакустических) изображений с анатомическими (ультразвуковыми) изображениями достигается проще и естественнее, когда оптоакустические и ультразвуковые датчики объединены в один. Датчик может представлять собой либо линейный массив преобразователей, либо двумерную матрицу ультразвуковых преобразователей. Двумерная матрица ультразвуковых преобразователей является наиболее выгодной для системы количественной томографии, поскольку она позволяет гибко управлять направленностью датчиков, устраняет необходимость в акустической линзе, увеличивает чувствительность датчиков, позволяет выполнять реконструкцию трехмерных изображений с частотой видео, уменьшает общее время сканирования крупной области ткани, представляющей интерес. Материалы для преобразователей в датчиках выбираются из тех, которые позволяют создавать сверхширокополосные ультразвуковые преобразователи, что критически важно для системы количественной томографии. Без сверхширокополосных акустических преобразователей обнаруженные оптоакустические сигналы значительно искажаются, что, в свою очередь, приводит к гораздо более низкой точности количественной информации в молекулярных и функциональных изображениях. Примеры материалов преобразователей для проектирования и изготовления сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей включают в себя, помимо прочего, монокристаллические пьезоэлектрические композиты, такие как PZT и PMN-PT. Изготовленные микромеханической обработкой емкостные ультразвуковые преобразователи (capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT) также являются хорошими кандидатами для проектирования массивов сверхширокополосных акустических преобразователей. Однако наиболее чувствительные массивы сверхширокополосных акустических преобразователей с самой широкой полосой обнаруживаемых ультразвуковых частот, занимающей как высокочастотные, так и низкочастотные диапазоны, были спроектированы и изготовлены из полученных микромеханической обработкой пьезоэлектрических ультразвуковых преобразователей (piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, pMUT), которые могут обеспечить максимальную сверхширокую полосу обнаруженных ультразвуковых частот от 50 кГц до 20 МГц и, в свою очередь, оптоакустические изображения с высочайшей количественной точностью, высочайшим контрастом и одновременно с высочайшим разрешением. Оптические детекторы нестационарных ультразвуковых волн также могут быть использованы в качестве сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей. Наиболее многообещающие конструкции оптических сверхширокополосных акустических преобразователей основаны на эталонах Фабри-Перо, измеряющих смещение тканей, и на сбалансированных массивах фотодиодов, измеряющих угол отклонения лазерного луча.[0045] Alternatively, optoacoustic and ultrasonic sensors can be combined into a single sensor that serves both molecular imaging and anatomical imaging purposes, making the quantitative tomography system less expensive and more compact. In addition, the goal of superimposing molecular (optoacoustic) images with anatomical (ultrasound) images is achieved more easily and naturally when optoacoustic and ultrasonic transducers are combined into one. The sensor can be either a linear array of transducers or a two-dimensional array of ultrasonic transducers. A 2D array of ultrasonic transducers is the most advantageous for a quantitative tomography system because it allows flexible control of the directivity of the sensors, eliminates the need for an acoustic lens, increases the sensitivity of the sensors, allows reconstruction of 3D images at video rate, and reduces the overall scanning time of a large area of tissue of interest. Materials for transducers in transducers are selected from those that allow the creation of ultra-wideband ultrasonic transducers, which is critical for a quantitative tomography system. Without UWB acoustic transducers, the detected optoacoustic signals are significantly distorted, which in turn leads to much lower accuracy of quantitative information in molecular and functional images. Examples of transducer materials for designing and manufacturing ultra-wideband ultrasonic transducers include, but are not limited to, single crystal piezoelectric composites such as PZT and PMN-PT. Micromachined capacitive ultrasonic transducers (cMUTs) are also good candidates for ultra-wideband acoustic transducer array design. However, the most sensitive ultra-wideband acoustic transducer arrays, with the widest ultrasonic detectable bandwidth spanning both the high and low frequency ranges, have been designed and fabricated from micromachined piezoelectric ultrasonic transducers (pMUTs) that can provide maximum ultra-wide bandwidth. detected ultrasonic frequencies from 50 kHz to 20 MHz and, in turn, optoacoustic images with the highest quantitative accuracy, the highest contrast and at the same time the highest resolution. Optical detectors of transient ultrasonic waves can also be used as ultra-wideband ultrasonic transducers. The most promising optical ultrawideband acoustic transducer designs are based on Fabry-Perot etalons that measure tissue displacement and balanced photodiode arrays that measure the deflection angle of a laser beam.
[0046] 4. Многоканальная электронная система сбора данных (Data Acquisition System, DAS) с малошумящими аналоговыми предварительными усилителями, аналого-цифровыми преобразователями и платами для хранилища цифровых данных, их обработки и передачи, выполненными управляемыми микропроцессорами с программируемой пользователем вентильной матрицей и быстрой передачей данных на компьютер через быстрые порты данных, такие как USB3 или PCI express. Важными признаками указанной системы сбора данных являются (i) высокий динамический диапазон (по меньшей мере 14 бит), позволяющий обнаруживать сильные сигналы от поверхности представляющей интерес области ткани и одновременно слабые сигналы из глубины ткани, (ii) высокая частота дискретизации (по меньшей мере 30 МГц), обеспечивающая точное преобразование в цифровую форму аналоговых сигналов, и (iii) большая обнаруживаемая длина сигнала (по меньшей мере 8000 выборок), позволяющая использовать новую конструкцию обнаружения двух оптоакустических сигналов одновременно в виде одного сигнала, сокращая таким образом время получения изображений и обеспечивая условия для идеального совмещения.[0046] 4. Multi-channel electronic data acquisition system (Data Acquisition System, DAS) with low-noise analog preamplifiers, analog-to-digital converters and boards for digital data storage, processing and transmission, made by controlled microprocessors with a field programmable gate array and fast transmission data to a computer via fast data ports such as USB3 or PCI express. Important features of this data acquisition system are (i) a high dynamic range (at least 14 bits), which allows detecting strong signals from the surface of the tissue region of interest and simultaneously weak signals from deep tissue, (ii) a high sampling rate (at least 30 MHz) allowing for accurate digitization of analog signals, and (iii) a large detectable signal length (at least 8000 samples) allowing the use of a new design for detecting two optoacoustic signals simultaneously as a single signal, thus reducing imaging time and providing conditions for perfect alignment.
[0047] 5. Компьютер с процессором, памятью и по меньшей мере одним сетевым подключением, а также с программным обеспечением для управления системой, постобработки данных и реконструкции изображений, преобразования изображений, совмещения изображений и постобработки изображений. Обработка сигналов и обработка изображений в системе количественной томографии представляет критически важную новизну конструкции системы, в которой используется полный набор оптоакустических сигналов, записанных с минимальными искажениями, с использованием сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей. Следующая математическая обработка обеспечивает точную количественную томографию, удовлетворяющую давнюю потребность в медицинской диагностике (и, в частности, диагностике рака) для измерения функциональных параметров, таких как общий гемоглобин и насыщение крови кислородом, а также концентраций специфических белков-рецепторов и других физиологически важных молекул:[0047] 5. A computer with a processor, memory, and at least one network connection, as well as software for system management, data post-processing and image reconstruction, image conversion, image alignment, and image post-processing. Signal processing and image processing in a quantitative tomography system represents a critical novelty in system design, which uses a complete set of optoacoustic signals recorded with minimal distortion using ultra-wideband ultrasonic transducers. The following mathematical processing provides accurate quantitative tomography that satisfies a long-standing need in medical diagnostics (and cancer diagnostics in particular) to measure functional parameters such as total hemoglobin and blood oxygen saturation, as well as the concentrations of specific receptor proteins and other physiologically important molecules:
a. Восстановление первоначальных профилей оптоакустического сигнала, сгенерированного в представляющей интерес области ткани мгновенными лазерными импульсами, с использованием деконволюции функций акустико-электрических и пространственных импульсных откликов сверхширокополосного ультразвукового преобразователя из обнаруженных оптоакустических сигналов.a. Reconstruction of the original profiles of an optoacoustic signal generated in a tissue region of interest by instantaneous laser pulses using deconvolution of the acoustic-electrical and spatial impulse response functions of an ultra-wideband ultrasonic transducer from the detected optoacoustic signals.
b. Реконструкция изображений оптоакустической трехмерной томографии представляющей интерес области ткани с использованием строгих алгоритмов с использованием полного набора данных, полученных с геометрией, обеспечивающей полную обзорностьb. Reconstruction of 3D optoacoustic tomography images of a tissue region of interest using rigorous algorithms using a complete set of data acquired with a geometry that provides full visibility
Для еще большего увеличения точности изображения могут быть использованы итеративные методы оптоакустической томографии.Iterative methods of optoacoustic tomography can be used to further increase image accuracy.
c. Нормализация распределения падающей оптической плотности энергии на поверхности представляющей интерес области ткани посредством выравнивания яркости изображения всех вокселей поверхности. Если коэффициент оптического поглощения вокселей поверхности представляющей интерес области не равномерен, выполняют этот этап нормализации падающей оптической плотности энергии с использованием стабилизатора представляющей интерес области ткани. Стабилизатор представляющей интерес области ткани представляет собой тонкую пластмассовую чашу сферической или цилиндрической формы, которую помещают на представляющей интерес области ткани, чтобы гарантировать, что представляющая интерес область имеет конкретные и четко определенные форму и размеры. Такой стабилизатор, изготовленный из оптически прозрачной и звукопроницаемой пластмассы, значительно увеличивает точность реконструкции совмещенных изображений, предотвращая какое-либо перемещение ткани во время сканирования и обеспечивая точные координаты поверхности представляющей интерес области. Примером стабилизатора представляющей интерес области ткани является чаша для груди, показанная на ФИГ. 1D, с параметрами сферической поверхности, подобранными индивидуально для каждого пациента.c. Normalization of the distribution of the incident optical energy density on the surface of the tissue region of interest by equalizing the brightness of the image of all surface voxels. If the optical absorption coefficient of the voxels of the surface of the region of interest is not uniform, perform this step of normalizing the falling absorbance of energy using the stabilizer of the tissue region of interest. A tissue region of interest stabilizer is a thin, spherical or cylindrical shaped plastic cup that is placed on the tissue region of interest to ensure that the region of interest has a specific and well-defined shape and dimensions. Such a stabilizer, made of optically transparent and sound-permeable plastic, greatly increases the accuracy of the reconstruction of the combined images, preventing any movement of the tissue during scanning and providing accurate surface coordinates of the region of interest. An example of a tissue region of interest stabilizer is the breast cup shown in FIG. 1D, with spherical surface parameters selected individually for each patient.
d. Нормализация распределения оптической плотности энергии по всему объему представляющей интерес области ткани посредством компенсации для эффективного ослабления оптического излучения. Подсистема волоконно-оптической доставки света выполнена для доставки оптической энергии ортогонально к поверхности представляющей интерес области ткани вдоль радиус-вектора, соединяющего каждый воксел поверхности с фокальной точкой сферической емкости для формирования изображения или осью симметрии цилиндрической емкости для формирования изображения. Следовательно, компенсация эффективного ослабления оптического излучения может быть выполнена вдоль этих радиус-векторов, R. Типичное эффективное ослабление оптического излучения в биологических тканях может быть описано законом Бера как ~ exp-(mueff R), где mueff - коэффициент эффективного ослабления оптического излучения на данной длине волны лазера, и R - глубина в ткани, измеренная от воксела поверхности вдоль радиус-вектора распространения света. Более точная функция эффективного ослабления оптического излучения может быть измерена экспериментально по постепенно уменьшающейся яркости фоновых вокселей на изображениях, реконструированных на этапе (b). Несмотря на то, что такое измерение невозможно при современном уровне техники, предлагаемая система количественной томографии использует сверхширокополосные ультразвуковые преобразователи, которые позволяют измерять такие наклоны низкочастотных сигналов на оптоакустических изображениях в качестве наклона эффективного ослабления оптического излучения биологическими тканями. После нормализации (выравнивания) оптической плотности энергии по объему представляющей интерес области ткани, яркость вокселов изображения, сначала реконструированного на этапе (b), становится пропорциональной коэффициенту оптического поглощения.d. Normalization of the distribution of optical energy density throughout the volume of tissue area of interest by compensation for effective attenuation of optical radiation. The fiber optic light delivery subsystem is designed to deliver optical energy orthogonally to the surface of the tissue region of interest along a radius vector connecting each surface voxel to the focal point of the spherical imaging container or the axis of symmetry of the cylindrical imaging container. Therefore, compensation for the effective attenuation of optical radiation can be performed along these radius vectors, R. A typical effective attenuation of optical radiation in biological tissues can be described by Beer's law as ~ exp-(mu eff R), where mu eff is the coefficient of effective attenuation of optical radiation at a given laser wavelength, and R is the depth in tissue measured from the surface voxel along the light propagation radius vector. A more accurate function of the effective attenuation of optical radiation can be measured experimentally from the gradually decreasing brightness of the background voxels in the images reconstructed in step (b). Although such a measurement is not possible with the current state of the art, the proposed quantitative tomography system uses ultra-wideband ultrasonic transducers that allow such slopes of low-frequency signals in optoacoustic images to be measured as the slope of the effective attenuation of optical radiation by biological tissues. After normalization (alignment) of the optical energy density over the volume of the region of interest of the tissue, the brightness of the voxels of the image, first reconstructed in step (b), becomes proportional to the optical absorption coefficient.
e. Выполнение этапа (а) обработки сигналов и этапов (b), (с), (d) обработки изображений для каждой из сменяющихся длин волн лазера, выбранных для исследования изображения.e. Performing signal processing step (a) and image processing steps (b), (c), (d) for each of the alternating laser wavelengths selected for image examination.
f. Использование совмещенных оптоакустических изображений, полученных на этапе (d) для двух или трех сменяющихся длин волн лазера, для вычисления количественных молекулярных или функциональных изображений.f. Use of combined optoacoustic images obtained in step (d) for two or three alternating laser wavelengths to calculate quantitative molecular or functional images.
g. Использование полных наборов ультразвуковых сигналов для реконструкции изображений по отражению или затуханию ультразвука, или скорости звука и и обеспечения их совмещения с молекулярными (функциональными) изображениями. Как оптоакустические, так и ультразвуковые изображения требуют знания распределения скорости звука в представляющей интерес области ткани. Следовательно, изображения по скорости звука могут быть использованы для улучшения точности (контраста и разрешения) оптоакустических изображений и изображений по отражению или затуханию ультразвука.g. Use of complete sets of ultrasonic signals to reconstruct images from reflection or attenuation of ultrasound, or the speed of sound and ensure their registration with molecular (functional) images. Both optoacoustic and ultrasound imaging require knowledge of the sound velocity distribution in the tissue region of interest. Therefore, sound speed imaging can be used to improve the fidelity (contrast and resolution) of optoacoustic and ultrasonic reflection or attenuation imaging.
h. Отображение молекулярных (функциональных) изображений, имеющих наложение с совмещенными анатомическими изображениями, на основании отражения, затухания ультразвука или скорости звука. Эти окончательные наложения изображений отображают в цвете количественные значения концентраций молекул и функциональных параметров в анатомических тканевых структурах, отображаемых контрастом серой шкалы на ультразвуковых изображениях.h. Display of molecular (functional) images overlaid with superimposed anatomical images based on reflection, ultrasound attenuation, or sound velocity. These final image overlays display in color quantitative values of molecular concentrations and functional parameters in anatomical tissue structures displayed in gray scale contrast on ultrasound images.
i. Компьютер также имеет интерфейс оператора для передачи команд в систему через клавиатуру или голосом с использованием программного обеспечения искусственного интеллекта.i. The computer also has an operator interface for sending commands to the system through the keyboard or by voice using artificial intelligence software.
[0048] 6. Экран с высоким разрешением для отображения изображений. Дисплей может быть физическим (таким как LCD, LED) или представлять голографическое отображение. Дисплей может иметь сенсорный экран для передачи команд в компьютер.[0048] 6. High resolution screen for displaying images. The display may be physical (such as LCD, LED) or represent a holographic display. The display may have a touch screen for transmitting commands to a computer.
Применение двух средств для молекулярно анатомической визуализацииApplication of two tools for molecular anatomical imaging
Ограничения современных технологий для ведения рака грудиLimitations of current technologies for breast cancer management
[0049] Используемые в настоящее время рентгеновские средства для скрининга груди и средства формирования диагностического изображения для маммографии и томографической реконструкции имеют серьезные ограничения по чувствительности и специфичности, особенно в случае в плотной и неоднородной груди молодых женщин. На основании оптимального соотношения между риском подвергнуться воздействию ионизирующего излучения и выгодами раннего обнаружения, Американское онкологическое общество рекомендует проводить маммографию каждые два года и только после достижения возраста 50 лет (14). Таким образом, ультразвук для исследования груди используется в качестве дополнения к средствам рентгеновского скрининга (15). Ультразвук в своей двумерной и трехмерной версиях используется в качестве средства формирования диагностического изображения вследствие очень высокой частоты ложноположительных результатов. Однако даже когда и маммография, и ультразвук предполагают рак и рекомендуют биопсию, частота отрицательных результатов биопсии превышает 70% (16).[0049] Currently used x-ray tools for breast screening and diagnostic imaging tools for mammography and tomographic reconstruction have serious limitations in sensitivity and specificity, especially in the case of dense and heterogeneous breasts in young women. Based on the optimal balance between the risk of exposure to ionizing radiation and the benefits of early detection, the American Cancer Society recommends a mammogram every two years and only after age 50 (14). Thus, ultrasound for breast examination is used as an adjunct to X-ray screening tools (15). Ultrasound in its 2D and 3D versions is used as a diagnostic imaging tool due to the very high false positive rate. However, even when both mammography and ultrasound suggest cancer and recommend a biopsy, the rate of negative biopsy results exceeds 70% (16).
Оптоакустическая (OA) функциональная визуализацияOptoacoustic (OA) functional imaging
[0050] С самого начала исследований в области оптоакустического формирования изображения рака груди это рассматривалось как функциональная визуализация ангиогенеза опухоли (17). При использовании оптоакустических средств основным хромофором является гемоглобин, поэтому, если опухоль полностью заполнена кровью, сеть сосудов и, следовательно, опухоль будут более заметными. Использование только ультразвука также может привести к ложноположительным диагнозам, которые могут быть дополнительно уточнены с помощью дополнительного формирования изображения оптоакустическими средствами (10). В первоначальном исследовании предыдущей системы, системы LOUISA, в которой преобразователи были крупнее (2 см), сети сосудов собирались вместе. Текущая система имеет преобразователи меньшего размера (1,1 мм), а также сферические объекты, в отличие от линейных в предыдущей системе. В прошлом опухоли можно было увидеть с некоторой сетью сосудов, но теперь опухоли и сильно сочлененная сеть сосудов могут быть видны, что указывает на готовность начать клинические испытания.[0050] From the very beginning of research in the field of optoacoustic imaging of breast cancer, this was considered as functional imaging of tumor angiogenesis (17). When using optoacoustic means, the main chromophore is hemoglobin, therefore, if the tumor is completely filled with blood, the network of vessels and, therefore, the tumor will be more visible. The use of ultrasound alone can also lead to false positive diagnoses, which can be further refined with additional optoacoustic imaging (10). In the initial study of the previous system, the LOUISA system, in which the transducers were larger (2 cm), the vessel networks were assembled together. The current system has smaller transducers (1.1 mm) as well as spherical objects, as opposed to the linear ones in the previous system. In the past, tumors could be seen with some vascular network, but now tumors and a highly articulated vascular network can be seen, indicating readiness to start clinical trials.
[0051] Функциональная визуализация, которая различает гемоглобин и оксигемоглобин с использованием облучения ткани по меньшей мере двумя оптическими волновыми сигналами в спектральном диапазоне ближней инфракрасной области, впервые была продемонстрирована Чансом (Chance) (18).[0051] Functional imaging that distinguishes between hemoglobin and oxyhemoglobin using tissue irradiation with at least two near-infrared optical waveforms was first demonstrated by Chance (18).
[0052] Используя одни и те же формулы, примененные к данным, собранным с помощью фотоакустической микроскопии, Ван (Wang) продемонстрировал функциональные изменения насыщения крови кислородом у живой крысы (19). В настоящее время ряд исследовательских групп разрабатывают методы повышения количественной точности функциональной визуализации, особенно сложные при объемной визуализации в глубине тканей (20).[0052] Using the same formulas applied to data collected by photoacoustic microscopy, Wang demonstrated functional changes in blood oxygen saturation in a live rat (19). A number of research groups are currently developing methods to improve the quantitative accuracy of functional imaging, especially challenging for deep tissue volumetric imaging (20).
Количественная визуализация посредством компенсации ослабления оптической плотности энергииQuantitative Imaging by Compensating for Attenuated Energy Density
[0053] Вращающаяся волоконно-оптическая система доставки света LOUISA предназначена для обеспечения максимально однородного интегрального облучения груди, насколько это только возможно экспериментально. С другой стороны, невозможно избежать ослабления оптического излучения света в ближней инфракрасной области в тканях груди, что приводит к сферически-симметричному градиенту эффективной оптической плотности энергии в полусфере груди. Интересно отметить, что уменьшенная эффективная оптическая плотность энергии в фокальной точке полусферы груди частично компенсируется улучшенной разрешающей способностью в фокусной области массива преобразователей. Яркость микрососудов с диаметрами меньше пространственного разрешения будет ниже вследствие ограниченного проникновения света в ткани, но будет выше вследствие увеличенной разрешающей способности системы.[0053] The LOUISA Rotating Fiber Optic Light Delivery System is designed to provide the most uniform integral breast exposure as experimentally possible. On the other hand, it is impossible to avoid the attenuation of the optical emission of light in the near infrared region in the tissues of the breast, which leads to a spherically symmetric gradient of the effective optical energy density in the hemisphere of the breast. It is interesting to note that the reduced effective optical energy density at the focal point of the chest hemisphere is partially compensated by the improved resolution in the focal region of the transducer array. The brightness of microvessels with diameters less than the spatial resolution will be lower due to the limited penetration of light into the tissues, but will be higher due to the increased resolution of the system.
[0054] Для реконструкции объемных изображений с яркостью независимо от глубины от подвергнутой облучению поверхности яркость вокселей экспоненциально увеличивается в радиальных направлениях от поверхности кожи до фокального центра груди. Обнаружено, что среднее ослабление оптического излучения в груди в диапазоне от 755 нм до 800 нм составляет приблизительно meff~1,15/CM. Следовательно, к палитре яркости оптоакустических изображений применяется функция ехр (1,15R), где R - радиус полусферы. Этого подхода было достаточно для реконструкции бинарных функциональных изображений насыщения крови кислородом, показывающих либо оксигенированную кровь красным цветом, либо дезоксигенированную кровь синим цветом.[0054] To reconstruct volumetric images with brightness regardless of depth from the exposed surface, the brightness of voxels increases exponentially in radial directions from the skin surface to the focal center of the chest. It has been found that the average attenuation of optical radiation in the chest in the range from 755 nm to 800 nm is approximately meff~1.15/CM. Therefore, the function exp(1.15R) is applied to the brightness palette of optoacoustic images, where R is the radius of the hemisphere. This approach was sufficient to reconstruct binary functional oxygen saturation images showing either oxygenated blood in red or deoxygenated blood in blue.
Совмещение функциональных и анатомических изображенийCombination of functional and anatomical images
[0055] Несмотря на то, что ультразвук для исследования груди имеет низкую специфичность при диагностике рака груди, это средство является довольно чувствительным и обеспечивает хороший обзор анатомических признаков, что позволяет получить общее представление о морфологии груди. Ультразвук может обеспечить определенный уровень специфичности на основании формы тени опухоли, т.е. доброкачественные опухоли имеют круглую форму, в то время как раковые поражения имеют неоднородную морфологию и "уродливую" форму, часто с ростками. В ультразвуком исследовании отсутствует функциональная/молекулярная информация, такая как плотность ангиогенеза и насыщение крови кислородом, которая характерна для различения злокачественных опухолей от доброкачественных образований и кист (21). Иными словами, совмещение оптоакустических и ультразвуковых изображений вполне оправдано особенно с учетом того, что могут быть использованы один и тот же датчик и одни и те же электронные средства для обоих средств (22-23).[0055] Although breast ultrasound has low specificity in diagnosing breast cancer, this tool is quite sensitive and provides a good overview of anatomical features, which allows you to get a general idea of \u200b\u200bthe morphology of the breast. Ultrasound can provide a certain level of specificity based on the shape of the tumor shadow, ie. benign tumors are round in shape, while cancerous lesions have a heterogeneous morphology and an "ugly" shape, often with sprouts. Ultrasound lacks functional/molecular information, such as angiogenesis density and blood oxygen saturation, which is characteristic for distinguishing malignant tumors from benign lesions and cysts (21). In other words, the combination of optoacoustic and ultrasound images is quite justified, especially considering that the same sensor and the same electronic means can be used for both means (22-23).
[0056] В более раннем исследовании было продемонстрировано, что морфология опухоли, визуализированная на оптоакустических изображениях, хорошо напоминает морфологию, представленную при ультразвуковом исследовании в В-режиме (5). Следующим этапом является отображение функциональных параметров общего гемоглобина и насыщения крови кислородом (в пределах опухоли и поблизости от нее, как представлено на ультразвуковых изображениях с серой шкалой. Двумерное наложение совмещенных оптоакустических и ультразвуковых изображений было успешно продемонстрировано в статистически значимом клиническом исследовании, которое показало двукратное увеличение диагностической специфичности применения двух средств по сравнению с использованием только ультразвука (3).[0056] An earlier study demonstrated that the tumor morphology seen on optoacoustic images closely resembles that seen on B-mode ultrasound (5). The next step is to display the functional parameters of total hemoglobin and blood oxygen saturation (within and near the tumor, as shown on gray scale ultrasound images. diagnostic specificity of the two agents compared with the use of ultrasound alone (3).
[0057] Трехмерные оптоакустические изображения, обеспечивающие полную обзорность, и двумерные оптоакустические изображения, обеспечивающие частичную обзорность, получают на двух быстро сменяющихся длинах волн лазера в спектральном диапазоне ближней инфракрасной области. Двумерные анатомические изображения груди получены ультразвуковым исследованием в В-режиме с использованием дугообразного датчика для достижения более широкой акустической апертуры и большей разрешающей способности в боковом направлении. Трехмерные изображения анатомического фона груди могут быть получены в системе LOUISA посредством последовательности срезов ультразвукового исследования груди в В-режиме, полученных с помощью массива преобразователей, вращающегося вокруг груди. Это создает возможность визуализации распределений общего гемоглобина и насыщения крови кислородом (в конкретных морфологических структурах, таких как ангиогенез сети микрососудов опухоли и сети крупных сосудов поблизости от опухоли.[0057] Three-dimensional optoacoustic images providing full visibility and two-dimensional optoacoustic images providing partial visibility are obtained at two rapidly changing laser wavelengths in the spectral region of the near infrared region. Two-dimensional anatomical images of the breast were obtained by B-mode ultrasound using an arcuate transducer to achieve a wider acoustic aperture and greater resolution in the lateral direction. Three-dimensional images of the anatomical background of the breast can be obtained in the LOUISA system by means of a sequence of B-mode breast ultrasound slices obtained with an array of transducers rotating around the breast. This creates the possibility of visualizing the distributions of total hemoglobin and blood oxygen saturation (in specific morphological structures, such as angiogenesis of the tumor microvessel network and the network of large vessels in the vicinity of the tumor.
Проблемы двумерной оптоакустической томографииProblems of two-dimensional optoacoustic tomography
[0058] Оптоакустические системы формирования изображения, основанные на удерживаемом в руке датчике ультразвуковых преобразователей, становятся все популярнее в среде специалистов биомедицинской визуализации. Эти системы обеспечивают двумерное изображение со стандартными видео частотами в применениях, относящихся к обнаружению рака и сосудистых аномалий. Вследствие компактных размеров удерживаемых в руке датчиков эти системы формирования изображения в реальном времени могут быть полезны для направления введения иглы в наиболее агрессивную часть опухоли во время биопсии, а также для картирования кровообращения и нервных сетей в ходе хирургической операции. С другой стороны, удерживаемые в руке датчики имеют значительные ограничения, связанные с их малым размером и, таким образом, небольшую акустическую апертуру массива ультразвуковых преобразователей: (i) предоставление неполного набора данных, что делает теоретически невозможным отображение истинных яркости/контраста с использованием реконструкционной томографии; (ii) плохую разрешающую способность в боковом направлении в плоскости изображения, (iii) плохое подавление сигналов вне плоскости изображения, особенно тех, которые содержат низкие ультразвуковые частоты, испускаемые крупными объектами. Обратный режим формирования изображения оптоакустическими средствами с помощью лазерного облучении и ультразвукового обнаружения в пределах одного и того же датчика на одной и той же стороне кожи вводит сложные требования к конструкции корпуса датчика гипоэхогенных образований, режекторным фильтрам для рассеянного лазерного излучения, освещающего акустическую линзу и подавляющего ультразвуковые преобразователи. Это создает сигналы артефактов и ненулевой наклон сигнала, что делает очень трудным отличение соответствующих сигналов от фона. Предлагаемая конструкция удерживаемого в руке датчика решила проблемы формирования изображения в обратном режиме (8). Благодаря усовершенствованной конструкции датчика и сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей оптоакустическая система может достичь более высокого объемного контраста опухолей груди и большей глубины формирования изображения, что, в свою очередь, обеспечило клиническую пригодность этой системы (3). Однако двумерная система, основанная на удерживаемом в руке датчике, не может быть использована для скриннинга груди вследствие чрезмерно длительного времени и зависимости от оператора. Таким образом, трехмерная автоматическая система, обеспечивающая полную обзорность, должна быть использована для скрининга в сочетании с двумерной системой, которая служит для формирования изображений лимфатических узлов, окружающих грудь, и потенциального дренирования раковых клеток из основной опухоли груди.[0058] Optoacoustic imaging systems based on hand-held transducer ultrasonic transducers are becoming increasingly popular in the biomedical imaging community. These systems provide 2D imaging at standard video frequencies in applications related to the detection of cancer and vascular anomalies. Due to the compact size of hand-held transducers, these real-time imaging systems can be useful for guiding needle insertion to the most aggressive part of a tumor during a biopsy, and for mapping circulation and neural networks during surgery. On the other hand, hand-held transducers have significant limitations related to their small size and thus the small acoustic aperture of the ultrasound transducer array: (i) providing an incomplete data set, making it theoretically impossible to display true brightness/contrast using reconstruction tomography ; (ii) poor resolution in the lateral direction in the image plane, (iii) poor rejection of signals out of the image plane, especially those containing low ultrasonic frequencies emitted by large objects. The reverse mode of optoacoustic imaging using laser irradiation and ultrasound detection within the same sensor on the same side of the skin introduces complex requirements for the design of the sensor housing for hypoechoic lesions, notch filters for scattered laser radiation illuminating the acoustic lens and suppressing ultrasonic converters. This creates signal artifacts and non-zero signal slope, which makes it very difficult to distinguish the corresponding signals from the background. The proposed design of the hand-held sensor solved the problems of imaging in reverse mode (8). With improved transducer design and ultra-wideband ultrasound transducers, the optoacoustic system can achieve higher volumetric contrast of breast tumors and greater imaging depth, which in turn has made the system clinically useful (3). However, a 2D system based on a hand held transducer cannot be used for breast screening due to excessive time and operator dependency. Thus, a 3D automatic system that provides full visibility should be used for screening in conjunction with a 2D system that serves to image the lymph nodes surrounding the breast and potentially drain cancer cells from the underlying breast tumor.
Усовершенствования в системе LOUISAImprovements in the LOUISA system
[0059] Все вышеупомянутые ограничения были смягчены или компенсированы в трехмерной системе томографии, обеспечивающей полную обзорность, LOUISA. В системе LOUISA лазерное облучение отделено от массива преобразователей, а оптоакустический датчик отделен от ультразвукового датчика.[0059] All of the aforementioned limitations have been relaxed or compensated for in the LOUISA 3D full view tomography system. In the LOUISA system, the laser irradiation is separated from the transducer array, and the optoacoustic sensor is separated from the ultrasonic sensor.
Система количественной томографииQuantitative tomography system
Трехмерная оптоакустическая система, обеспечивающая полную обзорность3D opto-acoustic system for full visibility
[0060] Многих ограничений двумерной оптоакустической системы формирования изображения с ограниченным обзором можно избежать в трехмерной системе, обеспечивающей полную обзорность. Ранее преимущества трехмерной оптоакустической томографии, обеспечивающей полную обзорность, были продемонстрированы при разработке системы лазерной оптоакустической визуализации (Laser Optoacoustic Imaging System, LOIS-3D), выполненной для доклинических исследований на мышах. В системе LOIS-3D используется дугообразный массив из 96 сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей, и субъект вращается на 360 градусов, создавая сферу с 96×360=34560 виртуальными детекторами (24). Конструкция системы LOIS-3D была масштабирована и усовершенствована рядом продвинутых конструктивных признаков, результатом которых стала представленная конструкция системы LOUISA. Эти усовершенствования включают в себя новый полусферический модуль формирования изображения, вращающийся вокруг груди массив усиленных сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей, чувствительных к диапазону частот от приблизительно 50 кГц до приблизительно 6 МГц, дугообразную волоконно-оптическую лопасть для облучения, вращающуюся независимо вокруг груди, и новый двухволновый импульсный александритовый лазер с двумя сменяющимися длинами волн, составляющими приблизительно 757±2 нм и приблизительно 797±2 нм. Основные принципы работы подсистемы оптоакустической томографии, обеспечивающей полную обзорность, конструкция модуля формирования изображения и фотография системы изображены на Ф. 1A-1D.[0060] Many of the limitations of a 2D limited view optoacoustic imaging system can be avoided in a 3D full view system. Previously, the benefits of full-view 3D optoacoustic tomography were demonstrated in the development of the Laser Optoacoustic Imaging System (LOIS-3D) for preclinical studies in mice. The LOIS-3D system uses an arc-shaped array of 96 UWB ultrasonic transducers and rotates the subject 360 degrees, creating a sphere with 96×360=34560 virtual detectors (24). The LOIS-3D system design has been scaled up and enhanced with a number of advanced design features, resulting in the present LOUISA system design. These enhancements include a new hemispherical imaging module, a chest-rotating array of amplified ultra-wideband ultrasound transducers sensitive to a frequency range of approximately 50 kHz to approximately 6 MHz, an arcuate fiber-optic irradiation vane that rotates independently around the chest, and a new dual-wavelength pulsed an alexandrite laser with two alternating wavelengths of approximately 757±2 nm and approximately 797±2 nm. The basic principles of operation of the optoacoustic tomography subsystem, providing full visibility, the design of the imaging module and a photograph of the system are shown in F. 1A-1D.
[0061] Модуль формирования изображения системы сканирования груди, LOUISA, как и подвергнутая ранее клиническим исследованиям система LOIS-3D содержит массив из 96 сверхширокополосных (от 50 кГц до 6 МГц) ультразвуковых преобразователей, при этом массив имеет форму дуги 90 градусов. Эквивалентное давление шума (noise equivalent pressure, NEP), составляющее приблизительно 1,5 Па, этих преобразователей обеспечивает возможность формирования изображения глубоких тканей с высокой чувствительностью. Увеличенная пространственная разрешающая способность величиной приблизительно 0,3 мм для этой системы обусловлена тремя факторами, а именно: (i) высокой частотой отсечки, составляющей 6 МГц, (м) трехмерным условным представлением формы груди в виде полусферы с помощью оптически прозрачного звукопроницаемого тонкого пластмассового стабилизатора в виде чаши и (ii) облучением всей груди и объединением всех оптоакустических сигналов для каждого из 320 поворотных положений датчика. Александритовый лазер (компания Light Age, Сомерсет, штат Нью-Джерси, США), используемый в системе, испускает импульсы по 50 не на двух сменяющихся длинах волн, составляющих 757 нм и 797 нм, разделенных временной задержкой, величиной 50 мс или 100 мс, что обеспечивает точное совмещение двух оптоакустических изображений и вычисление функциональных изображений общего гемоглобина и насыщения крови кислородом (25). Энергия импульсного лазерного излучения, доступная от этого лазера, составляет до 800 мДж, что позволяет достичь оптимальной (безопасной) оптической плотности энергии, составляющей F~20 мДж/см2 для облучения груди с общей площадью луча, составляющей 40 см2. Следовательно, для облучения всей крупной груди с площадью поверхности, составляющей приблизительно 400 см2, (соответствует полусфере с радиусом, составляющим 8 см) требуется до 10 этапов. Принимая во внимание две длины волны и настройку на 10 этапов облучения на длину волны для полного облучения груди на этап использования преобразователей, теоретическое минимальное время для сканирования на двух длинах волн попеременно с частотой 10 Гц составляет: 320×10×2×0,1 с=640 с ~10,6 минут на грудь. В настоящее время проходят испытания усовершенствования для ускорения клинического сканирования за счет увеличения частоты повторения импульсов до 20 Гц, увеличения количества волоконно-оптических лопастей до 2 и таким образом уменьшения количества этапов облучения до 5, что приведет к уменьшению времени сканирования до приблизительно 2,5 мин.[0061] The imaging module of the breast scanning system, LOUISA, like the previously clinically studied LOIS-3D system, contains an array of 96 ultra-wideband (from 50 kHz to 6 MHz) ultrasound transducers, while the array has a 90 degree arc shape. The noise equivalent pressure (NEP) of approximately 1.5 Pa of these transducers enables high sensitivity deep tissue imaging. The increased spatial resolution of approximately 0.3 mm for this system is due to three factors, namely: (i) a high cutoff frequency of 6 MHz, (m) a three-dimensional representation of the hemispherical shape of the breast using an optically transparent sound-transmitting thin plastic stabilizer in the form of a bowl and (ii) irradiating the entire chest and combining all optoacoustic signals for each of the 320 rotational positions of the sensor. The alexandrite laser (Light Age, Somerset, NJ, USA) used in the system emits pulses of 50 nm at two alternating wavelengths of 757 nm and 797 nm, separated by a time delay of 50 ms or 100 ms, which ensures accurate alignment of two optoacoustic images and calculation of functional images of total hemoglobin and blood oxygen saturation (25). The pulsed laser radiation energy available from this laser is up to 800 mJ, which makes it possible to achieve an optimal (safe) optical energy density of F~20 mJ/cm 2 for breast irradiation with a total beam area of 40 cm 2 . Therefore, up to 10 stages are required to irradiate the entire large breast with a surface area of approximately 400 cm 2 (corresponding to a hemisphere with a radius of 8 cm). Considering two wavelengths and a setting of 10 exposure steps per wavelength for full breast exposure per transducer step, the theoretical minimum time to scan at two wavelengths alternately at 10 Hz is: 320×10×2×0.1 s \u003d 640 s ~ 10.6 minutes per chest. Improvements are currently being tested to speed up clinical scanning by increasing the pulse rate to 20 Hz, increasing the number of fiber optic blades to 2, and thus reducing the number of exposure steps to 5, resulting in a reduction in scan time to approximately 2.5 minutes. .
Вращательное сканирование в сравнении с поступательным сканированиемRotational scan versus translational scan
[0062] Система томографии, обеспечивающая полную обзорность, может быть выполнена с возможностью осуществления вращательного сканирования и для реконструкции изображений в сферических координатах (ФИГ. 1А-1D) или, в качестве альтернативы, она может быть выполнена с возможностью поступательного сканирования и реконструкции изображений в цилиндрической системе координат (ФИГ. 2А-2В). Преимущество системы вращательного сканирования заключается в том, что она может получить истинное трехмерное объемное изображение с пространственным трехмерным разрешением, равным во всех трех направлениях декартовой системы координат (х, у, z).[0062] A full view tomography system may be configured to perform rotational scanning and reconstruct images in spherical coordinates (FIGS. 1A-1D) or, alternatively, it may be configured to perform translational scanning and reconstruct images in cylindrical coordinate system (FIG. 2A-2B). The advantage of a rotational scanning system is that it can obtain a true 3D volumetric image with a spatial 3D resolution equal in all three directions of the Cartesian coordinate system (x, y, z).
[0063] Преимущество системы поступательного сканирования состоит в том, что она использует полное кольцо преобразователей и может получать и реконструировать двумерные изображения круговых срезов с видео частотой (10-40 Гц), т.е. в режиме реального времени с физиологическими событиями. Система поступательного сканирования имеет отличную разрешающую способность в круговом двумерном (х-у) срезе, однако разрешающая способность в вертикальном (вдоль оси z) направлении, которое может быть полученно путем наложения двумерных срезов в цилиндрическом объеме, приблизительно в 2-5 раз хуже по сравнению с тем, что может быть получено в двумерных круговых срезах.[0063] The advantage of the translational scanning system is that it uses a full ring of transducers and can acquire and reconstruct 2D images of circular slices at video frequency (10-40 Hz), i.e. in real time with physiological events. The translational scanning system has excellent resolution in a circular 2D (x-y) slice, but the resolution in the vertical (along the z-axis) direction, which can be obtained by superimposing 2D slices in a cylindrical volume, is approximately 2-5 times worse than with what can be obtained in two-dimensional circular slices.
Сверхширокополосные ультразвуковые преобразователиUltra wideband ultrasonic transducers
[0064] Стандартные медицинские ультразвуковые преобразователи могут обнаруживать только в относительно узком частотном диапазоне и генерировать электрические реверберации в ответ на импульс, испускаемый биологическими тканями, подвергнутыми облучению коротким лазерным импульсом. Это означает, что обнаруженный оптоакустический сигнал может быть значительно искажен коммерческими ультразвуковыми детекторами, что, в свою очередь, ограничивает контраст и разрешение оптоакустических изображений. Что еще более важно, профили собственного давления, сгенерированные в ткани короткими лазерными импульсами, могут быть сильно искажены стандартными преобразователями, что нарушает способность оптоакустической системы формирования изображения воспроизводить истинную яркость вокселей изображения и таким образом блокирует способность функциональной визуализации. Особые усилия были предприняты при разработке сверхширокополосных ультразвуковых преобразователей (ultrawide-band ultrasonic transducer, UBT) для систем оптоакустической томографии.[0064] Standard medical ultrasound transducers can only detect in a relatively narrow frequency range and generate electrical reverberations in response to a pulse emitted by biological tissues irradiated with a short laser pulse. This means that the detected optoacoustic signal can be significantly distorted by commercial ultrasonic detectors, which in turn limits the contrast and resolution of optoacoustic images. More importantly, self-pressure profiles generated in tissue by short laser pulses can be severely distorted by standard transducers, impairing the ability of an optoacoustic imaging system to reproduce the true brightness of image voxels and thus blocking the ability of functional imaging. Particular efforts have been made in the development of ultrawide-band ultrasonic transducers (UBT) for optoacoustic tomography systems.
[0065] Распределение поглощенной оптической энергии используется для визуализации и количественной характеристики различных тканевых структур и их физиологических функций на основании изменений оптических свойств тканей. Чтобы связать тканевую структуру с оптоакустическими изображениями, акустические детекторы должны уметь распознавать не только быстрые изменения оптоакустических сигналов, связанные с резкими краями и границами в тканях, но и воспроизводить медленные изменения, связанные с плавными изменениями оптических свойств в пределах ткани одного типа. Иными словами, акустические детекторы должны быть способны обнаруживать как высокие, так и низкие ультразвуковыы частоты сигналов акустического давления. Эти типы акустических детекторов называются сверхширокополосными акустическими преобразователями. Лучшие сверхширокополосные акустические преобразователи имеют относительно одинаковую чувствительность обнаружения во всем ультразвуковом диапазоне от 20 кГц до 20 МГц, однако практичные и клинически пригодные сверхширокополосные акустические преобразователи для формирования изображения глубоких тканей имеют полосу пропускания от приблизительно 50 кГц до приблизительно 10 МГц. Полоса пропускания ультразвукового обнаружения акустических преобразователей определяет предельные значения осевой разрешающей способности. Разрешающая способность в боковом направлении оптоакустической томографии (ОАТ), с другой стороны, задана размерами каждого акустического преобразователя, шагом между двумя соседними преобразователями в массиве (или расстоянием между двумя точками измерения в режиме сканирования), общей апертурой и геометрией массива преобразователей (поверхности измерения). Для получения точного томографического изображения объект, представляющий интерес, должен быть окружен преобразователями (ФИГ. 3) так, чтобы все положения детекторов образовывали замкнутую поверхность. В противном случае реконструкция будет производиться с использованием неполного набора данных измерения, которые не являются количественно точными. Полные наборы оптоакустических данных с временным разрешениием могут быть получены с использованием либо двумерных массивов преобразователей, либо посредством одномерного сканирования линейного массива преобразователей или посредством двумерного сканирования одного преобразователя.[0065] The distribution of absorbed optical energy is used to visualize and quantify various tissue structures and their physiological functions based on changes in the optical properties of tissues. To associate tissue structure with optoacoustic images, acoustic detectors must be able to recognize not only fast changes in optoacoustic signals associated with sharp edges and boundaries in tissues, but also to reproduce slow changes associated with smooth changes in optical properties within a tissue of the same type. In other words, acoustic detectors must be able to detect both high and low ultrasonic frequencies of acoustic pressure signals. These types of acoustic detectors are called ultrawideband acoustic transducers. The best ultra-wideband acoustic transducers have relatively uniform detection sensitivity over the entire ultrasonic range from 20 kHz to 20 MHz, but practical and clinically useful ultra-wideband acoustic transducers for deep tissue imaging have a bandwidth of about 50 kHz to about 10 MHz. The ultrasonic detection bandwidth of acoustic transducers determines the limits of axial resolution. The lateral resolution of optoacoustic tomography (OAT), on the other hand, is given by the dimensions of each acoustic transducer, the pitch between two adjacent transducers in an array (or the distance between two measurement points in scan mode), the overall aperture, and the geometry of the transducer array (measurement surface) . To obtain an accurate tomographic image, the object of interest must be surrounded by transducers (FIG. 3) so that all detector positions form a closed surface. Otherwise, the reconstruction will be performed using an incomplete set of measurement data that is not quantitatively accurate. Complete time-resolved optoacoustic datasets can be obtained using either 2D transducer arrays, 1D scans of a linear array of transducers, or 2D scans of a single transducer.
[0066] Ранее на основе сополимеров поливинилидендифторида (ПВДФ) были разработаны сверхширокополосные ультразвуковые преобразователи, и массивы этих преобразователей были использованы для формирования изображения при диагностике рака груди (5). Однако вследствие низкой электрической емкости преобразователей из ПВДФ их нельзя было сделать достаточно маленькими, что ограничивало пространственную разрешающую способность в первых прототипах системы формирования изображения груди. В последние годы усовершенствования в области пьезоэлектрических материалов, таких как композиционный материал, изготовленных из монокристаллической пьезоэлектрической керамики PMN-PT или монокристаллической пьезоэлектрической керамики PZT, встроенной в полимерную матрицу, или изготовленных микромеханической обработкой пьезоэлектрических ультразвуковых преобразователей позволили изготавливать линейные и двумерные массивы сверхширокополосных акустических преобразователей с высокой электрической емкостью (приблизительно 100 пФ) и небольшого размера (приблизительно 1 мм2). Эти пьезокомпозитные преобразователи являются чувствительными одновременно в диапазоне высоких ультразвуковых частот для обеспечения высокого разрешения при формировании изображения и в диапазоне низких ультразвуковых частот для обеспечения высокого контраста при формировании изображения оптоакустическими средствами крупных объектов, таких как крупные кровеносные сосуды и опухоли. Хотя стандартные коммерческие преобразователи могут осуществлять визуализацию только границ крупных объектов в груди, сверхширокополосные акустические преобразователи могут осуществлять визуализацию объемной яркости крупных объектов с количественно точным представлением их яркости, что позволяет получать точные функциональные изображения.[0066] Polyvinylidene difluoride (PVDF) copolymers have previously been used to develop ultra-wideband ultrasound transducers and arrays of these transducers have been used for imaging in breast cancer diagnosis (5). However, due to the low electrical capacitance of the PVDF transducers, they could not be made small enough, which limited the spatial resolution in early prototypes of the breast imaging system. In recent years, advances in piezoelectric materials such as composite material, single crystal piezoelectric ceramics PMN-PT or single crystal piezoelectric ceramics PZT embedded in a polymer matrix, or micromachined piezoelectric ultrasonic transducers have made it possible to fabricate linear and two-dimensional arrays of ultra-wideband acoustic transducers with high electrical capacitance (approximately 100 pF) and small size (approximately 1 mm 2 ). These piezocomposite transducers are both sensitive in the high ultrasonic frequency range to provide high resolution imaging and in the low ultrasonic frequency range to provide high contrast for optoacoustic imaging of large objects such as large blood vessels and tumors. While standard commercial transducers can only visualize the edges of large objects in the chest, ultra-wideband acoustic transducers can visualize the volumetric brightness of large objects with a quantitatively accurate representation of their brightness, resulting in accurate functional images.
Чувствительность и глубина формирования изображенияSensitivity and imaging depth
[0067] Акустико-электрические и пространственные импульсные отклики ультразвуковых преобразователей, используемых в системе LOUISA, были измерены с использованием ранее разработанного Delta-источника лазерного ультразвука (26). Также, измерения оптоакустических сигналов, обнаруженных от хорошо охарактеризованных фантомов, имеющих сферические включения с известным коэффициентом оптического поглощения, показали эквивалентное давление шума величиной приблизительно 1,3 Па и чувствительность преобразователя, которая дает повышение электрического напряжения на 16 пВ /Па для эквивалентного давления шума. При усилении аналогового сигнала 70 дБ амплитуда шума становится 47 мВ, записанная аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), что значительно усредняется вследствие добавления сигналов от 30 720 преобразователей к каждому вокселю изображения. С такой чувствительностью система LOUISA может обнаруживать относительно крупные (приблизительно 1 см) объекты, содеражащие кровь, такие как опухоли, с типичным коэффициентом оптического поглощения, составляющим 1/см, подвергнутые облучению с эффективной оптической плотностью энергии, составляющей 0,01 мДж/см2. Такая эффективная оптическая плотность энергии может быть достигнута на глубине, составляющей Z~50 мм, с безопасной плотностью энергии падающего лазерного излучения (27), составляющей 20 мДж/см2, и эффективным ослаблением оптического излучения в груди, составляющим приблизительно exp(-115Z) (28).[0067] The acoustic-electrical and spatial impulse responses of the ultrasonic transducers used in the LOUISA system were measured using a previously developed Delta laser ultrasound source (26). Also, measurements of optoacoustic signals detected from well-characterized phantoms having spherical inclusions with a known optical absorption coefficient have shown an equivalent noise pressure of approximately 1.3 Pa and a transducer sensitivity that gives an electrical voltage increase of 16 pV/Pa for the equivalent noise pressure. With an analog gain of 70 dB, the amplitude of the noise becomes 47 mV recorded by the analog-to-digital converters (ADCs), which is significantly averaged due to the addition of signals from 30,720 converters to each image voxel. With this sensitivity, the LOUISA system can detect relatively large (approximately 1 cm) blood containing objects, such as tumors, with a typical optical absorption coefficient of 1/cm, exposed to an effective optical energy density of 0.01 mJ/cm 2 . Such an effective optical energy density can be achieved at a depth of Z~50 mm with a safe incident laser energy density (27) of 20 mJ/cm 2 and an effective attenuation of optical radiation in the chest of approximately exp(-115Z) (28).
Примеры ультразвуковой подсистемыExamples of the ultrasonic subsystem
[0068] Ультразвуковое сканирование в В-режиме используется для визуализации и определения морфологических тканевых структур.[0068] B-mode ultrasound is used to visualize and define morphological tissue structures.
Система вращательного сканированияRotary scanning system
[0069] Ультразвуковая подсистема для вращательного сканирования основана на использовании имеющего форму дуги 90 градусов массива ультразвуковых преобразователей с радиусом, составляющим 80 мм, оптимизированных для ультразвукового исследования груди в В-режиме. Массив из 192 преобразователей с центральной частотой, составляющей 7 МГц, с широкой полосой пропускания, составляющей±3,5 МГц. Ультразвуковая подсистема обеспечивает двумерные срезы строения груди, которые могут быть легко наложены на соответствующие оптоакустическе срезы, выбранные из трехмерных функциональных изображений.[0069] The ultrasound subsystem for rotational scanning is based on a 90-degree arc-shaped array of ultrasound transducers with a radius of 80 mm optimized for B-mode breast ultrasound. An array of 192 transducers with a center frequency of 7 MHz and a wide bandwidth of ±3.5 MHz. The ultrasound subsystem provides two-dimensional sections of the breast structure, which can be easily superimposed on corresponding optoacoustic sections selected from three-dimensional functional images.
Система поступательного сканированияProgressive scanning system
[0070] Ультразвуковая подсистема для поступательного сканирования основана либо на массиве ультразвуковых преобразователей в форме дуги на 180 градусов, либо массиве ультразвуковых преобразователей в форме полного кольца на 360 градусов с радиусом, составляющим 80 мм, оптимизированных для ультразвукового исследования груди в В-режиме. Массив из 256 (для полукольца) или 512 (для полного кольца) ультразвуковых преобразователей с центральной частотой от 5 до 10 МГц с полосой пропускания, составляющей ±3,5 МГц. Ультразвуковая подсистема обеспечивает двумерные срезы строения груди, которые могут быть легко наложены на соответствующие оптоакустические срезы. Кольцо преобразователей осуществляет поступательное перемещение для получения стопы двумерных изображений, включающих изображения трехмерной ультразвуковой томографии.[0070] The ultrasound subsystem for translational scanning is based on either a 180 degree arc-shaped ultrasound transducer array or a 360-degree full ring ultrasound transducer array with a radius of 80 mm optimized for B-mode breast ultrasound. An array of 256 (half ring) or 512 (full ring) ultrasonic transducers centered at 5 to 10 MHz with a bandwidth of ±3.5 MHz. The ultrasound subsystem provides two-dimensional sections of the breast structure, which can be easily superimposed on the corresponding optoacoustic sections. The transducer ring is translated into a stack of 2D images including 3D ultrasound images.
ПРИМЕР 1EXAMPLE 1
Проверка формирования функциональных изображений в фантомахVerification of functional imaging in phantoms
[0071] Самым важным усовершенствованием этой новейшей конструкции системы по сравнению с ранее известными системами является облучение всей груди, выполняемое для каждого этапа поворота массива оптоакустических преобразователей с использованием волоконно-оптического облучателя, вращающегося вокруг груди независимо от вращения датчика детектора. В настоящем документе представлены результаты экспериментального исследования одного здорового добровольца и пациента с подозрительным небольшим поражением в груди. Визуализированные с помощью системы LOUISA дезоксигенированные вены и оксигенированные артерии здорового добровольца свидетельствуют о ее способности к визуализации микрососудов с гипоксией в раковых опухолях. Небольшое поражение, обнаруженное на оптоакустическом изображении пациента, не было видно на ультразвуковом исследовании, что потенциально указывает на высокую системную чувствительность оптоакустической подсистемы к небольшим, но агрессивно растущим раковым поражениям с высокой плотностью ангиогенеза сети микрососудов сосудов. При безопасном уровне оптической плотности энергии в ближней инфракрасной области сеть основных сосудов груди (0,5-1 мм) может быть видна на глубине до 50-мм с разрешением 0,3-мм. Результаты пилотной клиническй проверки системы LOUISA, продемонстрировавшие готовность системы к статистически значимому клиническому исследованию ее осуществимости.[0071] The most important improvement of this latest system design over previously known systems is the whole breast exposure performed for each stage of rotation of the optoacoustic transducer array using a fiber optic feed rotating around the chest independently of the rotation of the detector sensor. This paper presents the results of a pilot study of one healthy volunteer and a patient with a suspicious small chest lesion. The deoxygenated veins and oxygenated arteries of a healthy volunteer visualized using the LOUISA system demonstrate its ability to visualize hypoxic microvessels in cancerous tumors. The small lesion found on the optoacoustic image of the patient was not visible on ultrasound, potentially indicating a high systemic sensitivity of the optoacoustic subsystem to small but aggressively growing cancerous lesions with a high angiogenesis density of the microvessel network. At a safe level of optical energy density in the near infrared region, the network of the main vessels of the chest (0.5-1 mm) can be seen at a depth of up to 50 mm with a resolution of 0.3 mm. The results of a pilot clinical test of the LOUISA system, demonstrating the readiness of the system for a statistically significant clinical study of its feasibility.
[0072] Сменяя две длины волны лазерного облучения за один выполняемый постепенно оборот, можно физически совместить изображения, полученные на этих длинах волн с точностью лучше, чем 1 воксел (0,2 мм). Различие между артериями и венами на оптоакустических изображениях, а также различие между злокачественными поражениями с гипоксией и нормально оксигенированными доброкачественными образованиями представляет ценную функциональную информацию для рентгенологов в дополнение к общедоступной морфологии груди. Способность системы LOUISA к визуализации артерий и вен, раковых и доброкачественных опухолей проверена экспериментально с использованием реалистичных фантомов ткани груди, изготовленных из поливинилхлорида-пластизоля, порошка TiO2 для оптического рассеяния и пластиковых красителей для оптического поглощения (29).[0072] By changing two wavelengths of laser irradiation in one incremental revolution, it is possible to physically match images obtained at these wavelengths with an accuracy better than 1 voxel (0.2 mm). The distinction between arteries and veins on optoacoustic images, as well as the distinction between malignant lesions with hypoxia and normally oxygenated benign lesions, provides valuable functional information for radiologists in addition to publicly available breast morphology. The ability of the LOUISA system to visualize arteries and veins, cancerous and benign tumors has been experimentally tested using realistic phantoms of breast tissue made of PVC-plastisol, TiO 2 powder for optical scattering, and plastic dyes for optical absorption (29).
[0073] На ФИГ. 4А-4 В показана фотография фантома груди и функциональное изображение насыщения крови кислородом, где красный цвет был установлен для насыщения крови кислородом, составляющим более 80%, а синий цвет был установлен для насыщения крови кислородом, составляющим менее 75%. Диапазону от 75% до 80% была придана нулевая (черная) яркость. Оптические свойства шести встроенных объектов были выбраны для представления реалистичной сосудистой сети и опухолей: (1) артерии (красной) с насыщением крови кислородом, составляющим 100%, (2) вены (синей) с насыщением крови кислородом, составляющим приблизительно 70%, доброкачественных опухолей (красных) с насыщением крови кислородом, составляющим приблизительно 95%, и насыщением крови кислородом, составляющим приблизительно 85%, агрессивной злокачественной опухоли с насыщением крови кислородом, составляющим приблизительно 65%, и смешанной неагрессивной опухоли с насыщением крови кислородом, составляющим приблизительно 80%.[0073] FIG. 4A-4B show a chest phantom photograph and a functional image of blood oxygen saturation, where red was set for blood oxygen saturation of more than 80% and blue was set for blood oxygen saturation of less than 75%. The range from 75% to 80% has been given zero (black) brightness. The optical properties of six embedded objects were chosen to represent realistic vasculature and tumors: (1) artery (red) with 100% oxygen saturation, (2) vein (blue) with approximately 70% oxygen saturation of benign tumors (red) with blood oxygen saturation of approximately 95% and blood oxygen saturation of approximately 85%, aggressive malignant tumor with blood oxygen saturation of approximately 65%, and mixed non-aggressive tumor with blood oxygen saturation of approximately 80%.
[0074] Изображение на ФИГ. 4 В подтверждает достаточную точность системы LOUISA3D в функциональной визуализации, учитывая выбранные оптические свойства объектов в этом фантоме. Артерия и вена хорошо видны и правильно окрашены. Видны две доброкачественные опухоли, правильно окрашенные. Хорошо видна и правильно окрашена одна злокачественная глубокая опухоль с гипоксией. Вторая «смешанная» опухоль с пограничным уровнем насыщения крови кислородом частично невидима и частично окрашена в красный цвет.[0074] The image in FIG. 4B confirms the sufficient accuracy of the LOUISA3D system in functional imaging, given the chosen optical properties of the objects in this phantom. The artery and vein are clearly visible and correctly stained. Two benign tumors are seen, correctly stained. One malignant deep tumor with hypoxia is clearly visible and correctly stained. The second "mixed" tumor with borderline oxygen saturation is partly invisible and partly stained red.
ПРИМЕР 2EXAMPLE 2
Клиническая проверка системы LOUISAClinical validation of the LOUISA system
[0075] Система LOUISA содержит модуль формирования трехмерного изображения и удерживаемый в руке датчик формирования двумерного изображения. Хотя система LOIS-3D, предшественник системы LOUISA, использовала алгоритм реконструкции по полупериоду в сферических координатах (30), было необходимо использовать реконструкцию по полному периоду для полусферической геометрии реконструкции трехмерного изображения, с тем чтобы сохранить решение по точной реконструкции, обеспечивающее полную обзорность, для формирования изображения груди (31). Изображения этого пациента были получены на одной длине волны, составляющей 757 нм, поэтому насыщение крови кислородом в кровеносных сосудах и опухоли было невозможно. Природа относительно небольшой (3,5 мм) опухоли, видимой в двух из трех проекциях (ФИГ. 6А-6В, не ФИГ. 6С), не была окончательно установлена. На ФИГ. 6А-6С представлена чувствительность системы LOUISA, но не специфичность различения опухолей.[0075] The LOUISA system includes a 3D imaging module and a handheld 2D imaging sensor. Although the LOIS-3D system, the predecessor of the LOUISA system, used a half-period reconstruction algorithm in spherical coordinates (30), it was necessary to use full-period reconstruction for the hemispherical geometry of the 3D image reconstruction in order to maintain an accurate reconstruction solution that provides full visibility for breast imaging (31). This patient was imaged at a single wavelength, 757 nm, so oxygenation of the blood vessels and tumor was not possible. The nature of the relatively small (3.5 mm) tumor seen in two of the three views (FIGS. 6A-6B, not FIG. 6C) has not been conclusively established. FIG. 6A-6C show the sensitivity of the LOUISA system, but not the specificity of discriminating tumors.
[0076] Ряд усовершенствований в конструкции модуля формирования изображения и улучшений обработки сигналов и алгоритмов реконструкции изображений привели к получению высококонтрастных изображений с высоким разрешением груди, подробно показывающих сосудистую сеть груди. На ФИГ. 7А показана проекция на сагиттальную плоскость объемного оптоакустического изображения нормальной груди на длине волны, составляющей 757 нм. Вены, вероятно, являются доминирующими сосудами на этом изображении. На ФИГ. 7В-7С показана проекция на фронтальную плоскость трехмерного функционального изображения насыщения крови кислородом, которое позволило разделить вены (синие) с уменьшенным насыщением кислородом и артерии (красные) с полной оксигенацией. Это функциональное изображение было реконструировано с применением уравнений 1 и 2 к двум совмещенным оптоакустическим изображениям, полученным при 757 нм и 797 нм. Пороговое значение для палитры бинарных цветов синий/красный было выбрано на уровне насыщения крови кислородом, составляющем 80%. Количество подробных элементов в сосудах и микрососудах, визуализированных на изображениях, представленных на ФИГ. 7А-7С, демонстрируют потенциальную готовность системы LOUISA к выполнению клинических испытаний при скрининге и формировании изображения для диагностики рака груди.[0076] A number of improvements in imaging module design and improvements in signal processing and image reconstruction algorithms have resulted in high-contrast, high resolution breast images showing the breast vasculature in detail. FIG. 7A shows a sagittal plane projection of a volume optoacoustic image of a normal breast at a wavelength of 757 nm. Veins are likely the dominant vessels in this image. FIG. 7B-7C show a frontal plane view of a 3D functional image of blood oxygen saturation, which allowed the separation of veins (blue) with reduced oxygen saturation and arteries (red) with full oxygenation. This functional image was reconstructed using
[0077] На ФИГ. 8 показан пример совмещения срезов оптоакустического и ультразвукового изображений, выполненных по центральной оси полусферического объема груди, полученных от здорового добровольца. Этот тип изображения, который обеспечивает информацию относительно распределения сети сосудов, будет наиболее ценным для рентгенолога при наличии опухоли, поскольку плотность сети сосудов и сети микрососудов сосудов и их геометрия поблизости от опухоли представляет диагностическую информацию. Схожим образом, функциональные изображения насыщения крови кислородом и общего гемоглобина могут обеспечить различение доброкачественных и злокачественных опухолей с особенно высокой специфичностью, когда речь идет о морфологии опухоли и прилегающих тканей из совмещенного ультразвукового изображения.[0077] FIG. Figure 8 shows an example of overlapping of sections of optoacoustic and ultrasound images taken along the central axis of a hemispherical chest volume obtained from a healthy volunteer. This type of image, which provides information regarding the distribution of the vascular network, will be most valuable to the radiologist in the presence of a tumor, since the density of the vascular network and microvascular network and their geometry in the vicinity of the tumor provides diagnostic information. Similarly, functional images of blood oxygen saturation and total hemoglobin can provide discrimination between benign and malignant tumors with particularly high specificity when it comes to tumor and adjacent tissue morphology from a superimposed ultrasound image.
ПРИМЕР 3EXAMPLE 3
Система LOUISA-3D для ведения рака груди в качестве примера системы количественной томографииThe LOUISA-3D system for breast cancer management as an example of a quantitative tomography system
[0078] Разработана оптоакустическая томография, обеспечивающая полную обзорность, выполненная на основе лазерной оптоакустической ультразвуковой системы в сборе для формирования трехмерных изображений, совмещенных с ультразвуковой томографией, для применения при скрининге и формировании изображения для диагностики рака груди. Система была проверена на одном пациенте с опухолью в груди с подозрением на рак и на одном нормальном добровольце в качестве контрольного субъекта или здорового пациента контрольной группы. Рабочие характеристики системы LOUISA во время проверки показали ряд технических усовершенствований, которые делают эту комбинированную функциональную и анатомическую систему формирования изображения потенциально жизнеспособным решением неудовлетворенных потребностей при ведении рака груди.[0078] Full view optoacoustic tomography based on a laser optoacoustic ultrasound system assembly for 3D imaging combined with ultrasound tomography has been developed for use in screening and imaging for the diagnosis of breast cancer. The system was tested on one patient with a tumor in the breast with suspected cancer and on one normal volunteer as a control subject or a healthy control patient. The performance of the LOUISA system during validation showed a number of technical improvements that make this combined functional and anatomical imaging system a potentially viable solution to unmet needs in breast cancer management.
[0079] Следующие признаки системы LOUISA были признаны важными для клинического эффекта: (i) сверхширокополосные ультразвуковые преобразователи, чувствительные в частотном диапазоне, составляющем от 50 кГц до 6 МГц; (ii) сверхмалошумящие преобразователи и электронные средства с эквивалентным давлением шума, составляющим приблизительно 1,3 Па, и чувствительностью S~0,012 мВ/Па; (iii) облучение всей груди/ получение данных, обеспечивающих частичную обзорность, что позволило провести точную реконструкцию в сферических координатах; (iv) применение обратной функции эффективного ослабления оптического излучения для обеспечения глубины, не зависящей от яркости изображения. Система LOUISA представляет возможность формирования гибридного изображения с достаточным контрастом опухоли и кровеносных сосудов и адекватным разрешением, составляющим от 0,3 мм до 0,5 мм во всех трех измерениях (в зависимости от размера груди). Быстрая смена импульсов облучения в ближней инфракрасной области с длинами волн 757 нм и 850 нм позволяет осуществить функциональную визуализацию сети сосудов, хотя для клинического различения нормально оксигенированных тканей и тканей с гипоксией может потребоваться замена длины волны, составляющей 850 нм, на длину волны, составляющую 1064 нм. Продолжительность сканирования составляет приблизительно 10 мин с облучением "одиночным импульсом" на 20 этапах на каждой длине волны, с получением 320 угловых изображений массива из 96 преобразователей в виде дуги на 80°. Время реконструкции изображения составляет приблизительно 4 минуты для более чем 100 миллионов вокселей и 1 536 выборок данных от каждого из 30 720 виртуальных преобразователей.[0079] The following features of the LOUISA system have been found to be important for clinical effect: (i) ultra-wideband ultrasound transducers sensitive in the frequency range of 50 kHz to 6 MHz; (ii) ultra-low noise transducers and electronics with an equivalent noise pressure of approximately 1.3 Pa and a sensitivity of S~0.012 mV/Pa; (iii) irradiating the entire chest/acquisition of data providing partial visibility, which allowed for an accurate reconstruction in spherical coordinates; (iv) applying the inverse function of effective optical attenuation to provide depth independent of image brightness. The LOUISA system offers hybrid imaging with sufficient tumor and blood vessel contrast and adequate resolution of 0.3 mm to 0.5 mm in all three dimensions (depending on breast size). Rapid switching between 757 nm and 850 nm near-infrared pulses allows functional imaging of the vascular network, although clinical discrimination between normally oxygenated and hypoxic tissues may require changing from 850 nm to 1064 nm. The scan duration is approximately 10 minutes with "single pulse" exposure in 20 steps at each wavelength, producing 320 angled images of an array of 96 transducers in an 80° arc. The image reconstruction time is approximately 4 minutes for over 100 million voxels and 1,536 data samples from each of 30,720 virtual transducers.
[0080] Объединенная трехмерная оптоакустическая и ультразвуковая система формирования изображения с пространственным совмещением функциональной и анатомической информации демонстрирует клинически достаточную точность количественной информации. Система LOUISA предоставляет возможность автоматического обследования и скрининга всей груди независимо от опыта оператора. Ожидается, что клиническое применение при скрининге и диагностическом различении рака груди будет полезным в качестве замены дорогостоящей, чувствительной, но не специфической МРТ, особенно для плотной и неоднородной груди молодых женщин.[0080] A combined 3D optoacoustic and ultrasound imaging system with spatial alignment of functional and anatomical information demonstrates clinically sufficient accuracy of quantitative information. The LOUISA system provides automatic examination and screening of the entire breast, regardless of the experience of the operator. Clinical applications in the screening and diagnostic differentiation of breast cancer are expected to be useful as a substitute for costly, sensitive, but non-specific MRI, especially for young women's dense and heterogeneous breasts.
Далее приведены ссылки на источники, цитируемые в настоящем документе.The following are references to sources cited in this document.
1. Folkman, J., New Engl. J. Med., 333:1757-1763, 1995.1. Folkman, J., New Engl. J. Med., 333:1757-1763, 1995.
2. Savateeva et al., Proc. SPIE, 4618:63-75, 2002.2 Savateeva et al., Proc. SPIE, 4618:63-75, 2002.
3. Neuschler et al., Radiology, 285:xxx, 2017.3. Neuschler et al., Radiology, 285:xxx, 2017.
4. Gartlehner et al., Int J Evid Based Healthc., 11 (2):87-93, 2013.4. Gartlehner et al., Int J Evid Based Healthc., 11(2):87-93, 2013.
5. Ermilov et al., J Biomed Opt. 14(2):024007 (1-14), 2009.5. Ermilov et al., J Biomed Opt. 14(2):024007(1-14), 2009.
6. Heijblom et al., Eur Radiol. DOI 10.1007/s00330-016-4240-7dd6. Heijblom et al., Eur Radiol. DOI 10.1007/s00330-016-4240-7dd
7. Kruger et al., Med Phys., 40(11):1 13301, 2013.7. Kruger et al., Med Phys., 40(11):1 13301, 2013.
8. Zalev et al., Proc. SPIE, 2013; 8581, 858103.8. Zalev et al., Proc. SPIE, 2013; 8581, 858103.
9. Fakhrejahani et al., PLoS One 2015; 10(10):e01391 13, 2015.9. Fakhrejahani et al., PLoS One 2015; 10(10):e01391 13, 2015.
10. Toil et al., Scientific Reports, 7:41970, 2017.10. Toil et al., Scientific Reports, 7:41970, 2017.
11. Dean-Ben et al., J. Biophotonics 9(3):253-259, 2016.11. Dean-Ben et al., J. Biophotonics 9(3):253-259, 2016.
12. Diot et al., Clin Cancer Res., 23(22):6912-6922, 2017.12. Diot et al., Clin Cancer Res., 23(22):6912-6922, 2017.
13. Oraevsky, A.A., Optoacoustic Tomography: From Fundamentals to Diagnostic Imaging of Breast Cancer", in Biomedical Photonics Handbook, Second Edition: Fundamentals, Devices, and Techniques, ed. by T. Vo-Dinh, CRC Press, Boca Raton, Florida, 2014; vol. PM222, Ch. 21, pp. 715-757.13. Oraevsky, A.A., Optoacoustic Tomography: From Fundamentals to Diagnostic Imaging of Breast Cancer", in Biomedical Photonics Handbook, Second Edition: Fundamentals, Devices, and Techniques, ed. by T. Vo-Dinh, CRC Press, Boca Raton, Florida , 2014, vol.PM222, Ch.21, pp.715-757.
14. Oeffinger et al., JAMA, 314(15):1599-1614 2015.14. Oeffinger et al., JAMA, 314(15):1599-1614 2015.
15. Gartlehner et al., Int J Evid Based Healthc. 1 1 (2):87-93, 2013.15. Gartlehner et al., Int J Evid Based Healthc. 11(2):87-93, 2013.
16. Burkett et al., Acad Radiol. 23(12):1604-1609, 2016.16. Burkett et al., Acad. Radiol. 23(12):1604-1609, 2016.
17. Oraevsky et al., Proc. SPIE, 3597: 352-363, 1999.17. Oraevsky et al., Proc. SPIE, 3597: 352-363, 1999.
18. Liu et al., Phys. Med. Biol., 40:1983-1993, 1995.18. Liu et al., Phys. Med. Biol., 40:1983-1993, 1995.
19. Wang et al., Nature Biotech., 21 (7):803-806, 2003.19. Wang et al., Nature Biotech., 21(7):803-806, 2003.
20. Dean-Ben et al., J Vis Exp.2014; 4(93):e51864, 2014.20. Dean-Ben et al., J Vis Exp. 2014; 4(93):e51864, 2014.
21. Zhu et al., Radiology; 256(2), 367-378 (2010).21. Zhu et al., Radiology; 256(2), 367-378 (2010).
22. Emelianov et al., Proc. SPIE, 5320:101-112, 2004.22. Emelianov et al., Proc. SPIE, 5320:101-112, 2004.
23. Niederhauser et al., IEEE Trans. Med. Imaging, 24(4):436-440, 2005.23 Niederhauser et al., IEEE Trans. Med. Imaging, 24(4):436-440, 2005.
24. Brecht et al., J. Biomed. Optics, 14(6):0129061-8, 2009.24. Brecht et al., J. Biomed. Optics, 14(6):0129061-8, 2009.
25. Klosner et al., Proc. SPIE, 9708:97085 В, 2016.25. Klosner et al., Proc. SPIE, 9708:97085 B, 2016.
26. Conjusteau et al., Rev. Sci. Inst., 80:093708 (1-5), 2009.26. Conjusteau et al., Rev. sci. Inst., 80:093708(1-5), 2009.
27. American National Standard for Safe Use of Lasers, ANSI Z136.1-2014. Publication by American Laser Institute, New York, NY.27. American National Standard for Safe Use of Lasers, ANSI Z136.1-2014. Publication by American Laser Institute, New York, NY.
28. Taroni et al., Sci Rep.7:40683, 2017.28. Taroni et al., Sci Rep. 7:40683, 2017.
29. Spirou et al., Phys. Med. Biol., 50:141-153, 2005.29. Spirou et al., Phys. Med. Biol., 50:141-153, 2005.
30. Pan et al., IEEE Transactions on Image Processing, 12:784-795, 2003.30. Pan et al., IEEE Transactions on Image Processing, 12:784-795, 2003.
31. Wang et al., Phys Med Biol., 57(17):5399-5423, 2012.31. Wang et al., Phys Med Biol., 57(17):5399-5423, 2012.
Claims (81)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201862652337P | 2018-04-04 | 2018-04-04 | |
US62/652,337 | 2018-04-04 | ||
PCT/US2019/025885 WO2019195614A1 (en) | 2018-04-04 | 2019-04-04 | Quantitative imaging system and uses thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2020135621A RU2020135621A (en) | 2022-05-06 |
RU2787527C2 true RU2787527C2 (en) | 2023-01-10 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2464926C2 (en) * | 2006-12-22 | 2012-10-27 | Байосенс Уэбстер, Инк. | Optoacoustic monitoring in real time by means of electrophysiological catheters |
RU2486501C2 (en) * | 2011-02-28 | 2013-06-27 | Александр Алексеевич Карабутов | Laser optical-acoustic tomography method and apparatus for realising said method (versions) |
RU2571330C2 (en) * | 2011-02-10 | 2015-12-20 | Кэнон Кабусики Кайся | Device for data collection with help of acoustic waves |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2464926C2 (en) * | 2006-12-22 | 2012-10-27 | Байосенс Уэбстер, Инк. | Optoacoustic monitoring in real time by means of electrophysiological catheters |
RU2571330C2 (en) * | 2011-02-10 | 2015-12-20 | Кэнон Кабусики Кайся | Device for data collection with help of acoustic waves |
RU2486501C2 (en) * | 2011-02-28 | 2013-06-27 | Александр Алексеевич Карабутов | Laser optical-acoustic tomography method and apparatus for realising said method (versions) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7279957B2 (en) | Quantitative imaging system and its use | |
US20220054017A1 (en) | Laser Optoacoustic Ultrasonic Imaging System (LOUIS) and Methods of Use | |
JP6732830B2 (en) | Dual modality image processing system for simultaneous functional and anatomical display mapping | |
US10709419B2 (en) | Dual modality imaging system for coregistered functional and anatomical mapping | |
US9757092B2 (en) | Method for dual modality optoacoustic imaging | |
US10433732B2 (en) | Optoacoustic imaging system having handheld probe utilizing optically reflective material | |
Oraevsky et al. | Full-view 3D imaging system for functional and anatomical screening of the breast | |
CN106618489A (en) | Apparatus and processing method for acquiring detected object information | |
RU2787527C2 (en) | System for quantitative image generation and its use | |
Xie et al. | Photoacoustic imaging for deep targets in the breast using a multichannel 2D array transducer | |
EP2773267B1 (en) | Dual modality imaging system for coregistered functional and anatomical mapping | |
Yang | Co-registered photoacoustic and ultrasound tomographic imaging of human colorectal and ovarian cancer: light delivery, system development, and clinical study |