Diffuse optical mammography
Diffuse optical mammography
Example of breast constituents' concentrations maps through optical mammography (right cranio-caudal view). The blue arrow points to the lesion. Hb stands for deoxy-hemoglobin, HbO2 for oxy-hemoglobin, tHb for total hemoglobin.[1]
Purposeinvestigation of the breast composition through spectral analysis

Diffuse optical mammography, or simply optical mammography, is an emerging imaging technique that enables the investigation of the breast composition through spectral analysis. It combines in a single non-invasive tool the capability to implement breast cancer risk assessment,[2] lesion characterization,[3] therapy monitoring[4] and prediction of therapy outcome.[5] It is an application of diffuse optics, which studies light propagation in strongly diffusive media, such as biological tissues, working in the red and near-infrared spectral range, between 600 and 1100 nm.[6]

Comparison with conventional imaging techniques

Currently, the most common breast imaging techniques are X-ray mammography, ultrasounds, MRI and PET.

X線マンモグラフィーは、その高い空間分解能[ 7 ]と短い測定時間のおかげで、乳がん検診に広く普及している。しかし、乳房の生理機能に対する感度が低く[ 8 ]、高濃度乳房の検査には効果が限られていること[ 9 ] 、電離放射線を使用するため有害である[ 10 ]。超音波は非侵襲性であり、特に高濃度乳房を特徴とする若い女性に使用されている[ 11 ]が、画像の解釈は検査者の経験に依存する。MRIは腫瘍の大きさと良好な相関を示し、病変の識別および特徴付けには最良の方法であるとされている[ 12 ] 。MRI中に使用される磁場による長期的な健康リスクは検証されていないが、コストが高く検査に長時間かかるため、最初の調査ツールとしては使用されていない。[ 13 ]最後に、PETは腫瘍の代謝変化の早期評価を可能にしますが、[ 14 ]非常に高価であり、放射性トレーサーの投与が必要です。このため、PETの適用はあまり推奨されません。

一方、光マンモグラフィーは安価で、高濃度乳房にも有効であり、副作用もないため、患者の状態の変化を日々追跡することができます。また、生理学的観点から乳房の特徴を評価することも可能とされています。[ 15 ]しかし、まだ開発段階にあるため、研究グループ間でデータ解析の標準化が不十分であり、空間解像度が低いという問題があります。そのため、「マルチモーダルアプローチ」が提案されています。これは、光マンモグラフィーを他の従来法と補完的に組み合わせることで、診断効率を向上させるものです。[ 10 ] [ 15 ]

物理的メカニズム

拡散媒体における光子の移動

生物組織は拡散媒体であるため、伝播中の光の減衰は吸収だけでなく散乱によっても生じます。前者は媒体の化学組成に関係し光子の消滅を引き起こしますが、後者は屈折率の微視的不均一性に依存し光子の軌道の偏差を決定します。[ 6 ]吸収係数は 単位長さあたりの吸収イベントが発生する確率を表し、散乱係数は単位長さあたりの散乱イベントが発生する確率を表します。[ 16 ]ただし、多くの研究では、媒体の異方性を考慮するために、単純散乱係数ではなく、縮小散乱係数を参照しています。媒体の異方性は、角度偏向の平均コサインである係数によって表されます。[ 6 ]μ1つの{\displaystyle \mu_{a}}μs{\displaystyle \mu_{s}}μs′＝μs（1−グラム）{\displaystyle \mu _{s}^{'}=\mu _{s}(1-g)}グラム{\displaystyle g}

拡散性の高い媒質を介した光の伝播は、典型的には放射輸送理論のヒューリスティックなアプローチによって記述され、いわゆる「拡散近似」が採用されている。拡散は等方性であり、吸収よりも著しく優勢であると仮定される。これは、例えば乳房組織において、赤色および近赤外線スペクトル領域（600～1100 nm）（「治療窓」とも呼ばれる）において、かなり正確な近似値である。治療窓では、光は数センチメートルまで透過するため、検査時に組織を詳しく調べることができる。これが、生物組織における光子の移動が「拡散光学」とも呼ばれる理由である。[ 6 ]

散乱係数と波長（）の関係はミー理論から導かれる：[ 17 ]λ{\displaystyle \lambda}

μs′＝1つの（λλ0）−b{\displaystyle \mu '_{s}=a\left({\frac {\lambda }{\lambda _{0}}}\right)^{-b}}

実験的乳房成分の正規化吸収スペクトル。Hbは脱酸素ヘモグロビン、HbO2は酸素ヘモグロビンを表す。[ 1 ]

ここで、 は基準波長であり、と はそれぞれ散乱中心の大きさと密度を表します。 λ0{\displaystyle \lambda_{0}}b{\displaystyle b}1つの{\displaystyle a}

吸収係数に関しては、いわゆる「消衰係数」[ 18 ]によって媒介され、ランベルト・ベールの法則と組み合わせると、 λ{\displaystyle \lambda}ϵ私（λ）{\displaystyle \epsilon _{i}(\lambda )}

μ1つの＝∑私ϵ私（λ）C私{\displaystyle \mu_{a}=\sum_{i}\epsilon_{i}(\lambda)C_{i}}

ここで、i番目の乳房成分の濃度です。異なる波長で測定することで、乳房成分の濃度を外挿することができます。 C私{\displaystyle C_{i}}μ1つの{\displaystyle \mu_{a}}

乳房成分の吸収スペクトル

乳房の主な構成要素は、酸化ヘモグロビンと脱酸化ヘモグロビン、水、脂質、コラーゲンです。[ 1 ]特に、コラーゲンは乳がん発症の独立した危険因子として認識されています。[ 19 ]

血液は赤色のスペクトル領域で強い吸収を示すのに対し、コラーゲン、水、脂質は900 nmより長い波長に吸収ピークを持つ。酸化ヘモグロビンと脱酸素ヘモグロビンの区別は、酸化ヘモグロビンの場合、2つ目の大きなピークの存在による。脂質は930 nmと1040 nmに吸収極大を示すが、975 nmは水に敏感である。最後に、コラーゲンの吸収ピークは1030 nmに現れる。[ 16 ] [ 1 ]

可能な実装

拡散光マンモグラフィーは、時間領域、 [ 20 ]周波数領域[ 21 ]および連続波[ 22 ]の3つの異なるアプローチを利用して実装できます。さらに、光学測定を実行するための2つの主要な形状が存在します。

  • 反射法：注入と収集は乳房の同じ側で行われます。女性は通常、うつ伏せまたは前屈みになり、光源と検出器が設置された穴の開いた台の上に乳房を置きます。[ 23 ]他のシステムでは、女性は仰向けに寝て、手持ち式のプローブを用いて測定を行います。[ 24 ]
  • 透過率：注入と収集は乳房の反対側で行われる。乳房は通常、平行平面板の間で圧迫される。[ 25 ] [ 26 ]

選択したアプローチが何であれ、光学マンモグラフィーにはレーザー光源、検出器、信号プロセッサといった必須の要素がなければなりません。

複数のレーザー光源を用いることで、特定の波長を選択することで、乳房成分の濃度を調べることができます。検出器は通常、光電子増倍管[ 23 ]またはアバランシェフォトダイオード[ 27 ]です。最後に、信号処理装置としては、時間分解光マンモグラフィの場合は時間相関単一光子計数装置[ 28 ] 、周波数領域マンモグラフィの場合は周波数変調フィルタなどが用いられます。[ 29 ]

光源と検出器の数と位置に基づいて、光学マンモグラフィーは乳房成分の二次元または三次元マップを作成できます。

時間領域

時間領域測定では、数百ピコ秒オーダーの短い光パルスが乳房に照射され、遅延、広がり、減衰を経た再放射パルスの特徴からその光学特性が取得される。[ 25 ] [ 30 ]時間相関単一光子計数は、低レベル出力信号に対処するための基本的な技術である。[ 28 ]

周波数領域

周波数領域測定では、強度変調信号を乳房に注入し、その光学特性を入力信号に対する出力信号の位相ずれと復調から推定する。この測定は、周波数変調の異なる値で繰り返し行われる。[ 29 ] [ 31 ]

連続波

連続波（CW）測定では、光源として連続波レーザーが使用されるため、1回の測定で吸収と散乱の寄与を分離することが困難です。解決策としては、空間分解測定または角度分解測定を行うことが挙げられます。一般的に、CW測定は周波数領域測定と組み合わせられ、両方の長所を補完します。[ 27 ]

潜在的な用途

乳がんリスク評価

乳房の密度が高いほど、乳がんを発症する可能性が高くなります。[ 19 ]高密度乳房は、脂肪組織に比べて線維組織が多く含まれるという特徴があります。線維組織の主成分は水、コラーゲン、ヘモグロビンであり、光マンモグラフィーは組織の成分を識別し、定量化することができます。[ 2 ]したがって、乳房成分の濃度を測定することで、光マンモグラフィーは乳がんのリスクを評価できます。[ 2 ] [ 32 ] [ 33 ]

病変の特徴

腫瘍は一般的に線維組織で構成されており、その構成成分マップでは、周囲の（主に脂肪組織である）健常組織と比較して、水分、コラーゲン、ヘモグロビンの濃度が高い局所的な斑点として認識されます。研究では、健常組織に対する濃度の変動は、良性腫瘍よりも悪性腫瘍の方が統計的に顕著であることが示されています。[ 34 ] [ 35 ]さらに、散乱係数は良性病変の方が一般的に高くなります。このような違いは、光マンモグラフィーによって乳房病変を特徴づけることができる可能性を示唆しています。[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]

治療モニタリングと治療結果の予測

乳がんの治療は、腫瘍の特性と患者の状態によって異なります。考えられる戦略の一つは、手術前に腫瘍を縮小することを目的とした術前補助療法の実施です。 [ 38 ]研究によると、治療が効果的であれば、病変の水分、コラーゲン、ヘモグロビン含有量は時間の経過とともに減少傾向を示し、当初は線維性であった組織が脂肪組織に似た特徴を獲得することを示唆しています。[ 4 ] [ 39 ]治療セッションに対応する光学的測定により、その変化を追跡し、患者の反応を評価することができます。さらに、治療初日であっても、初期の乳房成分の濃度に基づいて治療効果を予測できると考えられています。[ 40 ] [ 5 ]

参照

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