Evaluating ultrasound-induced effects on cell morphometry on ultrasound-enhanced fine-needle aspiration biopsy from bovine liver

Thumbnail Image

Files

master_Westerlund_Ona_2023.pdf (64.1 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2023-03-20

Department

Major/Subject

Biomedical Engineering

Mcode

SCI3059

Degree programme

Master’s Programme in Life Science Technologies

Language

en

Pages

111+23

Series

Abstract

Fine-needle aspiration biopsy (FNAB) is a medical procedure widely used in cancer diagnosis. One of the main problems is insufficient samples for an accurate diagnosis or prognosis. Ultrasound-enhanced fine-needle aspiration biopsy (USeFNAB) is a novel method applying ultrasound to increase the biopsy yield compared with FNAB. In the biopsy device, an ultrasonic transducer is coupled to the needle causing flexural oscillation at the needle tip. The clinical adequacy of the sample has previously been evaluated by a pathologist, but the effects of ultrasound on cellular morphometry or the composition of the sample have not been analysed quantitatively previously. The aim of this thesis is to evaluate the effects of ultrasound enhancement of FNAB to the morphometric features of the cells, the morphometry of their nuclei, and the sample composition. Cell morphometries are analyzed from Hematoxylin and Eosin (H&E) -stained histological slides sampled with USeFNAB, with varying total acoustic power, duty cycle, and sonication time, and control slides sampled with FNAB and/or core needle biopsy from bovine liver. The images are segmented to five classes (nuclei, intact cells, debris, blood, and background) using deep learning. The training data for U-net is a subset of the image data and was labelled manually for this thesis. The nuclear morphometry is measured from the segmentation done by U-net for each nuclei. Each image is divided into 0.1 mm × 0.1 mm regions of interest to measure tissue morphometry. To evaluate if an ultrasound parameter has an effect to a morphometric parameter, distributions of the morphometric parameter from images with different ultrasound parameters are compared. Very small differences, that are not expected to influence the pathological assessment, were observed when total acoustic power was increased from 0 W to 2 W, and duty cycle near 50 % and these differences were not systematic with the increase. In the images with low duty cycle (10 % or 25 %) or short sonication time (1-5 seconds), some damage was observed with the lower total acoustic powers (0.5 W). The results suggest that ultrasound enhancement increases the biopsy yield, without remarkably compromising the sample histology with low enough total and maximum acoustic powers.

Ohutneulanäyte on lääketieteellinen toimenpide, jota käytetään laajasti esimerkiksi solunäytteen ottamiseen syövän tunnistamiseksi tai radiologisten löydösten varmentamiseksi. Osa näytteistä kuitenkin epäonnistuu, koska näyte on liian pieni tai siinä ei ole tarpeeksi montaa edustavaa solua. Ultraääntä hyödyntävä ohutneulanäyte on uusi metodi, jolla voidaan kasvattaa näytteen kokoa liittämällä neulaan ultraäänimuuntaja. Lupaavista tuloksista huolimatta ultraäänen ja värähtelevän neulan vaikutuksia näytteen laatuun ei ole aiemmin tutkittu solutasolla. Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia ultraäänen vaikutuksia kyseisessä metodissa solujen geometriaan, niiden tuman geometriaan, ja yleisemmällä tasolla näytteen rakenteeseen. Työssä käytettävät kuvat ovat ohutneulanäytteistä, jotka on värjätty ja kuvattu. Näytteet on otettu tutkittaessa ultraäänen tehon vaikutusta näytteen kokoon ja laatuun, ja ne on koostettu useasta eri mittauksesta. Morfologian tarkastelua varten kuvat segmentoidaan käyttäen koneoppimista. Segmentaatioiden pohjalta mitataan solujen geometriaa ja niiden sijaintia. Tulosten perusteella ultraääni ei vaikuta näytteen solutason laatuun, kun kokonaisteho on tarpeeksi pieni (alle 1.5 W), hyötylähtöteho on noin 50 % ja altistus aika on noin 10 sekuntia. Mikäli suuria maksimitehoja aiheutetaan korkealla kokonaisteholla, lyhyellä altistuksella, tai matalalla hyötylähtöteholla näytteissä nähdään vaurioita. Johtopäätöksenä on, että ultraäänellä tehostettu ohutneula näyte mahdollistaa suuremman näytteen ilman merkittäviä ultraäänestä aiheutuvia vaurioita, kun maksimi- ja kokonaisteho ovat tarpeeksi alhaiset.

Description

Supervisor

Nieminen, Heikki

Thesis advisor

Perra, Emanuele

Keywords

ultrasound, fine-needle aspiration biopsy, U-net, histological image analysis, cell morphometry

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202303262603

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI