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基于光纤超声接收器的三维超声针尖追踪技术

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DOI：

10.3791/57207

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2018年8月21日

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1Wellcome/EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences, University College London, 2Department of Medical Physics and Biomedical Engineering, University College London, 3Department of Anaesthesia, University College Hospital, 4St Bartholomew's Hospital and Queen Mary University of London, 5Institute for Women's Health, University College London, 6Centre for Medical Imaging Computing, University College London, 7GePaSud, University of French Polynesia, 8Department of Development and Regeneration, KU Leuven (Katholieke Universiteit), 9NIHR University College London Hospitals Biomedical Research Centre

通讯作者： Wenfeng Xia <wenfeng.xia@ucl.ac.uk>

本文内容

摘要

在许多超声引导下的微创手术中，对侵入性医疗器械进行准确且高效的可视化至关重要。本文介绍了一种用于确定穿刺针尖相对于超声成像探头空间位置的方法。

摘要

超声常用于引导微创手术，但在此成像模式下，医疗器械的可视化往往具有挑战性。当无法清晰显示器械时，可能导致器械对重要组织结构造成损伤。本文介绍一种在超声图像引导手术过程中追踪穿刺针尖位置的方法。该方法采用一种嵌入穿刺针套管内的光纤超声接收器，通过超声方式与外部超声探头进行通信。该定制探头包含一个中心换能器阵列和多个侧向换能器阵列。除中心阵列提供常规二维（2D）B模式超声成像外，侧向阵列还可实现三维（3D）针尖追踪。对于B模式超声成像，采用标准的发射-接收序列并结合电子波束成形技术。对于超声追踪，由4个侧向阵列发射Golay编码的超声信号，并由水听器传感器接收，随后对接收信号进行解码，以确定针尖相对于超声成像探头的空间位置。为初步验证该方法的有效性，已在接近临床实际的应用场景中进行了针体/水听器组合的穿刺实验。这种新型超声成像/追踪方法与现有临床工作流程兼容，可在针体平面内及平面外穿刺过程中提供可靠的器械追踪能力。

引言

在许多超声引导下的微创手术中，准确且高效地定位侵入性医疗器械备受关注。这类手术常见于区域麻醉和介入性疼痛管理1、介入肿瘤学2以及胎儿医学3等临床场景。在超声成像中，医疗器械尖端的可视化可能具有挑战性。在平面内穿刺过程中，当穿刺角度较陡时，针尖往往可见性较差。此外，在平面外穿刺过程中，针杆可能被误认为是针尖。当针尖无法通过超声清晰显示时，可能会因损伤关键组织结构而引发并发症。

目前有多种方法可用于在超声成像过程中定位医疗器械，但临床迫切需要一种既可靠又能与现有临床工作流程兼容的方法。使用回声增强表面可提高器械在大角度平面内插入时的可见性4。电磁跟踪系统可用于平面外插入操作，但电磁场干扰会显著降低其定位精度。在某些心脏和胎儿手术中，当医疗器械周围存在液体时，三维超声成像可改善其可视性5。然而，三维超声成像尚未广泛应用于穿刺针引导，部分原因在于图像解读较为复杂。

超声跟踪是一种在提高医疗器械可视性方面展现出巨大潜力的方法6,7,8,9,10,11,12,13,14。在超声跟踪中，医疗器械内置超声传感器或发射器，能够主动与外部超声成像探头进行通信。通过测量内置超声传感器/发射器与探头中不同换能器元件之间的超声飞行时间，即可确定医疗器械的位置。迄今为止，超声跟踪仅限于平面内跟踪，这在很大程度上限制了其临床应用。

本文演示了如何利用定制的超声成像探头以及固定在穿刺针套管内的光纤水听器实现三维超声追踪（图1）。该定制探头由作者设计并委托外部制造，包含一个中心换能器阵列和四个侧边阵列。中心阵列用于二维超声成像，侧边阵列则与光纤超声接收器协同实现针尖的三维追踪。文中展示了如何将光纤超声接收器定位并固定于穿刺针套管内，如何在实验台上测量系统的追踪精度，以及如何进行临床验证。

方案

1. 系统硬件

  1. 临床定制超声成像探头
    1. 为定制探头中的换能器元件布局创建草图设计，包括中心阵列和侧边阵列，并将设计提交给该探头的制造商。
    2. 根据制造商的反馈，对定制探头进行详细设计，优化换能器的频率特性和几何结构（图2）。
      注：通常，定制探头的制造商可设计电子系统、探头外壳以及与特定类型超声成像系统兼容的探头连接器。制造商还可集成一个操作模式切换开关（硬件），用于确定超声成像系统寻址的是哪一组128个元件。在成像模式下，系统寻址中心阵列；在追踪模式下，系统寻址侧边阵列。
  2. 追踪针
    1. 选择一种光纤超声水听器，其包含一根在远端带有法布里-珀罗腔的单模光纤（外径（OD）：150 µm）。
      注：带有远端法布里-珀罗腔的单模光纤水听器（外径：150 µm）可商业购得。在远端附近，常用于通信的光纤通常具有包层（外径：125 µm）、缓冲层（外径：250 µm）和护套（外径：900 µm）。
    2. 使用手术刀沿光纤水听器长度方向靠近其远端处部分去除900微米的护套，暴露缓冲层，直至水听器能够适配进入针管内腔。
      注：为保证机械强度，建议在靠近鲁尔接头的光纤段保留保护性缓冲层/护套。在护套去除后、尚未被针管保护前，应小心操作光纤的脆弱部分。
    3. 将医用针头水平固定在手动水平平移台上，并使用体视显微镜观察针尖，显微镜的光轴应水平并对准针头且与其垂直。如有必要，绕针轴旋转针头，使显微镜能够观察到针头的斜面。
    4. 在显微镜下观察针头远端时，将光纤超声接收器穿过Tuohy-Borst侧管接头的管腔，再经由针头的鲁尔接头插入，直至水听器的传感区域刚好位于针头斜面近端。此时，侧管接头不应连接至针头。将水听器用聚酰亚胺胶带固定在平移台上，以防止其在针头内移动。
    5. 使用聚酰亚胺胶带将水听器固定在平移台上，防止装置在针头内发生位移。
    6. 将一支20微升移液器垂直固定在垂直平移台上，使其尖端朝下，并利用水平和垂直平移台调整移液器尖端位置，使其紧邻光纤水听器，并位于其远端传感区域近端约0.5 mm处。
    7. 在移液器近端滴加一滴光学胶粘剂，并调整针头位置，使移液器尖端与光纤超声接收器之间形成直接通路。
    8. 然后使用10 mL注射器对移液器近端施加压力，缓慢将胶粘剂从远端挤出并注入光纤超声接收器中，注意避免将胶粘剂涂覆到传感区域或堵塞针管内腔，并用紫外光照射针尖直至光学胶粘剂完全固化。

2. 系统集成

  1. 将水听器连接至其光学控制台。
    注意：市面上可提供输出模拟电压信号（该信号与接收到的压力成正比）的光学控制台。
  2. 将定制的超声成像探头连接至超声控制台。
  3. 交替采集B型超声图像和用于追踪的编码超声脉冲10,14。在采集B型超声图像时，使用中央阵元执行脉冲-回波发射-接收序列。通过硬件开关控制访问的是侧边阵元还是中央阵元。
  4. 使用数据采集（DAQ）卡，同步超声发射起始时刻，对水听器信号和时序信号进行数字化。
  5. 处理并显示从脉冲-回波发射-接收序列中获取的信号，以获得B型超声图像。此外，处理并显示水听器信号，以确定光纤超声接收器相对于定制探头的位置。后一任务所用算法由Xia et al.12,14描述。
  6. 将针尖位置叠加至B型超声图像上。为了在二维超声图像显示中呈现三维追踪信息，可用一个十字标记表示针尖位置（横向和深度坐标）；十字的大小和颜色则分别表示针尖相对于成像平面的平面外距离及其所在侧。

3. 临床前验证

  1. 使用超声成像探头上的开关选择操作模式。
  2. 在定制的超声成像探头上添加超声耦合凝胶。
  3. 通过向胎儿超声模拟体模中加水以模拟羊水，制备体模。
  4. 使用B型超声成像，在体模中识别羊水作为穿刺目标。
    注意：穿刺目标取决于具体应用场景；在临床操作中，可能为用于诊断或治疗的特定组织区域，或在成像体模中指定的用于模拟组织区域的位置。
  5. 将穿刺针朝向穿刺目标插入。在插入过程中，持续使用定制探头上的开关交替切换操作模式（成像模式与追踪模式）。

结果

动物实验遵循英国英国内政部法规以及《动物（科学程序）法案》（1986年）的操作指南进行。绵羊的饲养遵循英国内政部有关动物福利的指导原则；实验在英国内政部项目许可证70/7408号“产前干细胞治疗与基因转移”下开展。绵羊实验的伦理审批由英国伦敦大学学院及皇家兽医学院动物福利伦理审查委员会提供。

在获得伦理批准后，对一只用于临床前研究的妊娠绵羊 体内 采用验证方法。在接受阴道内黄体酮栓剂处理两周后，按照 David 的描述，对母羊进行定时交配以诱导排卵。 等.34 在妊娠130天时，一只怀孕母羊与另一只怀孕同伴母羊一同禁食过夜。随后，该母羊接受硫喷妥钠20 mg/kg诱导的全身麻醉-1 通过静脉注射给药，并在经呼吸机插管后以2-2.5%异氟烷维持麻醉。通过双侧听诊肺部呼吸音确认插管位置正确。通过角膜反射评估确认麻醉效果。使用舌部或耳部的饱和度监测仪持续监测血氧饱和度。将母羊仰卧位置于半仰卧状态，并插入鼻胃管以促进胃内容物排出。在眼部涂抹眼用润滑剂以保持湿润。剪除腹部羊毛后，使用皮肤消毒剂对母羊腹部进行二次擦洗。在腹部涂抹无菌耦合剂，采用超声检查确认母羊的妊娠周期34 并评估胎儿体位。手术结束后，使用过量戊硫喷妥钠（40 mg/kg）人道处死动物。-1 静脉注射）

操作者（A.L.D.）将脐带确定为靶标。将一根针插入子宫腔内，并沿轨迹追踪针尖，达到15 mm的平面外距离和38 mm的深度（图3）。与传统的双极激励相比，Golay编码使信噪比（SNR）提高了7.5倍（图3B）。三维追踪的针尖位置以十字标记叠加在二维超声图像上，十字的宽度表示平面外距离，颜色表示成像模式（步骤2.6）（图3C）。

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图1：系统概述。 超声（US）成像/跟踪探头可实现二维（2D）超声成像和三维（3D）针体跟踪。该探头由超声扫描仪驱动，扫描仪可控制跟踪单元的发射。一个开关可实现换能器单元的电子选择，从而在两种工作模式之间切换：使用中央阵列进行成像，以及使用侧边阵列进行跟踪。一根光纤光学水听器（FOH）超声接收器被置于20G针头的内腔中，用于接收来自侧边阵列的发射信号。T/R：发射/接收；LT：行触发；FT：帧触发；PC：个人计算机；DAQ：数据采集卡。本图及图注经 Xia, W. et al.14 许可复制。请点击此处查看本图的放大版本。

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图2：定制超声成像探头的换能器元件布局。 中央阵列包含128个元件并配有声学透镜，用于实现超声成像。侧边阵列每行32个元件，共128个元件，用于实现三维针状物追踪。该图及图注经Xia, W. et al.14 许可复制。请点击此处查看此图的放大版本。

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图3：结合三维追踪的针头插入 体内. (A) 在将针插入妊娠绵羊子宫腔的过程中获取的针尖跟踪位置（圆圈：P1-P6）。B) 追踪信号的信噪比（SNR）（成像平面：X = 0）。C将3个追踪位置叠加到使用中央阵列获取的二维超声图像上。每个十字标记的端到端长度对应于离面距离；颜色（红色/黄色）对应成像平面的侧面。关键解剖结构以轮廓线表示（右侧）。S：皮肤；PF：皮下脂肪；UW：子宫壁；AF：羊水；UC：脐带；FA：胎儿腹部。本图及图注经Xia, W.许可复制。 等14. 请点击此处以查看此图的放大版本。

讨论

本文展示了如何利用定制的超声成像探头以及集成于针内的光纤水听器实现三维超声追踪。从临床转化的角度来看，本研究开发的定制探头具有多个优势。其紧凑的尺寸非常适合在腋窝等狭小空间内使用，而在这些区域操作体积较大的三维成像探头往往具有挑战性。本文所展示的三维超声追踪技术存在一个局限性，即需要手动切换成像模式与追踪模式。在未来的实现中，这种切换可由超声成像系统自动完成。

光纤水听器非常适合超声针定位。其高度微型化和柔韧性使其能够集成到横向尺寸较小的医疗器械中。其宽频带频率响应16可与多种临床超声探头兼容。此外，其全向性16可实现对以大角度范围插入的针具进行定位。最后，其对电磁场和金属物体干扰的免疫能力使其相比电磁定位更适用于临床环境。为进一步提高超声检测灵敏度，未来可采用平凹法布里-珀罗腔17。最终，超声定位可与其他多种功能集成于单根光纤中，例如反射光谱18,19,20,21,22,23、拉曼光谱24、光学相干断层成像25,26以及光声成像27,28,29,30,31,32,33。

超声跟踪存在与超声成像共有的局限性。首先，组织的非均质性会对超声跟踪产生负面影响；组织中声速的空间变化会降低跟踪精度，此前一项数值模拟研究已证实了这一点14。其次，对超声波高度反射的解剖结构（如骨性结构或含气空腔）可能不适用于超声跟踪。在未来的研究中，可利用其他成像方式（如三维旋转C型臂X射线计算机断层扫描）获取的针尖位置，来评估三维超声跟踪在非均质组织中in vivo的准确性。

尽管超声成像技术近年来取得了进展，但在该成像方式引导下对医疗器械进行精确定位和高效操控仍然具有挑战性，即使是经验丰富的临床操作者也不例外。如本研究所示，外部超声探头与医疗器械之间的主动通信可提高操作的安全性和效率。这些改进有望在多种临床场景中推动超声成像替代X射线透视的应用，例如用于介入性疼痛管理的脊柱穿刺。本研究开发的系统能够利用一个紧凑型超声探头实现三维超声定位和二维超声成像。该技术可通过在现有临床工作流程中精确显示针尖位置，从而改善超声引导下的微创操作。

披露

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本工作获得了惠康基金会（Wellcome Trust，项目编号：WT101957）与工程与物理科学研究理事会（EPSRC，项目编号：NS/A000027/1）联合颁发的健康创新工程奖、惠康基金会/EPSRC研究中心奖（项目编号：203145Z/16/Z & NS/A000050/1）、欧洲研究理事会启动资助（ERC-2012-StG，提案编号：310970 MOPHIM）以及EPSRC首项资助（项目编号：EP/J010952/1）的支持。A.L.D. 获得伦敦大学学院/UCLH国家健康研究所综合生物医学研究中心（UCL/UCLH NIHR Comprehensive Biomedical Research Centre）的支持。作者对皇家兽医学院工作人员在in vivo实验中提供的宝贵协助表示感谢。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
超声成像系统BK超声（Ultrasonix）SonixMDP
定制超声探头佛蒙特州
脊髓穿刺针 Terumo20号规格
光纤水听器精密声学
光纤剥线工具 ThorlabsFTS4
体视显微镜 Leica Microsystems Z16APO
图希-博斯特侧臂连接器 Cook MedicalPTBYC-RA
移液器  Eppendorf100 mL
微量移液器吸头 Eppendorf20 µL
紫外光固化光学胶 诺兰德产品NOA81
注射器Terumo 10 mL
紫外光源 Norland 产品Opticure 4 光固化枪
数据采集卡 国家仪器公司USB-5132
关节臂 CIVCO811-002
硫喷妥钠 诺华动物保健英国公司 Thiovet
异氟烷梅里亚动物保健异氟烷-兽用
眼部润滑剂Allergan，马洛，英国Lacri-Lube
皮肤润滑剂Adams Healthcare，加福斯，英国Hibitane 2%

参考文献

  1. Chin, K., Perlas, A., Chan, V., Brull, R. Needle visualization in ultrasound-guided regional anesthesia: challenges and solutions. Reg. Anesth. Pain Med. 33 (6), 532-544 (2008).
  2. Sridhar, A. N., et al. Image-guided robotic interventions for prostate cancer. Nat. Rev. Urol. 10, 452-462 (2013).
  3. Daffos, F., Capella-Pavlovsky, M., Forestier, F. Fetal blood sampling during pregnancy with use of a needle guided by ultrasound: A study of 606 consecutive cases. Am. J. Obstet. Gynecol. 153 (6), 655-660 (1985).
  4. Hebard, S., Graham, H. Echogenic technology can improve needle visibility during ultrasound-guided regional anesthesia. Reg. Anesth. Pain Med. 36 (2), 185-189 (2011).
  5. Abayazid, M., Vrooijink, G. J., Patil, S., Alterovitz, R., Misra, S. Experimental evaluation of ultrasound-guided 3D needle steering in biological tissue. Int. J. Comput. Assist. Radiol. Surg. 9 (6), 931-939 (2014).
  6. Nikolov, S. I., Jorgen, A. J. Precision of needle tip localization using a receiver in the needle. IEEE Int Ultrason Symp. , (2008).
  7. Mung, J., Vignon, F., Jain, A. A non-disruptive technology for robust 3D tool tracking for ultrasound-guided interventions. MICCAI 2011. , 153-160 (2011).
  8. Guo, X., Tavakoli, B., Kang, H. J., Kang, J. U., Etienne-Cummings, R., Boctor, E. M. Photoacoustic active ultrasound element for catheter tracking. Proc. SPIE. 8943, 89435M(2014).
  9. Xia, W., et al. In-plane ultrasonic needle tracking using a fiber-optic hydrophone. Med. Phys. 42 (10), 5983-5991 (2015).
  10. Xia, W., et al. Coded excitation ultrasonic needle tracking: An in vivo study. Med. Phys. 43 (7), 4065-4073 (2016).
  11. Xia, W., et al. Interventional photoacoustic imaging of the human placenta with ultrasonic tracking for minimally invasive fetal surgeries. MICCAI 2015. , 371-378 (2015).
  12. Xia, W., et al. 3D Ultrasonic Needle Tracking with a 1.5D Transducer Array for Guidance of Fetal Interventions. MICCAI 2016. , 353-361 (2016).
  13. Xia, W., et al. Fiber optic photoacoustic probe with ultrasonic tracking for guiding minimally invasive procedures. Proc. SPIE. 9539 95390K. 9539, 95390K(2015).
  14. Xia, W., et al. Looking beyond the imaging plane: 3D needle tracking with a linear array ultrasound probe. Sci. Rep. 7, 3674-3682 (2017).
  15. Xia, W., et al. Ultrasonic Needle Tracking with a Fibre-Optic Ultrasound Transmitter for Guidance of Minimally Invasive Fetal Surgery. MICCAI 2017. , 637-645 (2017).
  16. Morris, P., Hurrell, A., Shaw, A., Zhang, E., Beard, P. C. A Fabry-Pérot fiber-optic ultrasonic hydrophone for the simultaneous measurement of temperature and acoustic pressure. J. Acoust. Soc. Am. 125 (6), 3611-3622 (2009).
  17. Zhang, E. Z., Beard, P. C. Characteristics of optimized fiber-optic ultrasound receivers for minimally invasive photoacoustic detection. Proc. SPIE. 9323, 932311(2015).
  18. Desjardins, A. E., et al. Epidural needle with embedded optical fibers for spectroscopic differentiation of tissue: ex vivo feasibility study. Biomed. Opt. Exp. 2 (6), 1452-1461 (2011).
  19. Desjardins, A. E., et al. Needle stylet with integrated optical fibers for spectroscopic contrast during peripheral nerve blocks. J. Biomed. Opt. 16 (7), 077004(2011).
  20. Rathmell, J. P., et al. Identification of the Epidural Space with Optical Spectroscopy: An In Vivo Swine Study. Anesthesiology. 113 (6), 1406-1418 (2010).
  21. Balthasar, A., et al. Optical Detection of Vascular Penetration during Nerve Blocks: An in vivo Human. Reg. Anesth. Pain Man. 37 (1), 3-7 (2012).
  22. Brynolf, M., et al. Optical Detection of the Brachial Plexus for Peripheral Nerve Blocks: An in vivo Swine Study. Reg. Anesth. Pain Man. 36 (4), 350-357 (2011).
  23. Soto-Astorga, R. P., West, S. J., Putnis, S., Hebden, J. C., Desjardins, A. E. Epidural catheter with integrated light guides for spectroscopic tissue characterization. Biomed. Opt. Express. 4 (11), 2619-2628 (2013).
  24. Anderson, T. A. Raman Spectroscopy Differentiates Each Tissue From the Skin to the Spinal Cord: A Novel Method for Epidural Needle Placement? Anesthesiology. 125 (4), 793-804 (2016).
  25. Xie, Y., Bonin, T., Löffler, S., Hüttmann, G., Tronnier, V., Hofmann, U. G. Coronal in vivo forward-imaging of rat brain morphology with an ultra-small optical coherence tomography fiber probe. Phys. Med. & Biol. 58 (3), 555-568 (2013).
  26. Xie, Y., Harsan, L. A., Bienert, T., Kirch, R. D., Von Elverfeldt, D., Hofmann, U. G. Qualitative and quantitative evaluation of in vivo SD-OCT measurement of rat brain. Biomed. Opt. Express. 8 (2), 593-607 (2017).
  27. Xia, W., et al. Performance characteristics of an interventional multispectral photoacoustic imaging system for guiding minimally invasive procedures. J. Biomed. Opt. 20 (8), 086005(2015).
  28. Mari, J. -M., Xia, W., West, S. J., Desjardins, A. E. Interventional multispectral photoacoustic imaging with a clinical ultrasound probe for discriminating nerves and tendons: an ex vivo pilot study. J. Biomed. Opt. 20 (11), 110503(2015).
  29. Xia, W., et al. An interventional multispectral photoacoustic imaging platform for the guidance of minimally invasive procedures. Proc. SPIE. 9539, 95390D(2015).
  30. Xia, W., West, S. J., Nikitichev, D. I., Ourselin, S., Beard, P. C., Desjardins, A. E. Interventional multispectral photoacoustic imaging with a clinical linear array ultrasound probe for guiding nerve blocks. Proc. SPIE. 9708, 97080C1-97080C6 (2016).
  31. Gandhi, N., Allard, M., Kim, S., Kazanzides, P., Bell, M. A. L. Photoacoustic-based approach to surgical guidance performed with and without a da Vinci robot. J. Biomed. Opt. 22 (12), 121606(2017).
  32. Bell, M. A. L., Kuo, N. P., Song, D. Y., Kang, J. U., Boctor, E. M. In vivo visualization of prostate brachytherapy seeds with photoacoustic imaging. J. Biomed. Opt. 19 (12), 126011(2017).
  33. Piras, D., Grijsen, C., Schütte, P., Steenbergen, W., Manohar, S. Photoacoustic needle: minimally invasive guidance to biopsy. J. Biomed. Opt. 18 (7), 070502(2013).
  34. David, A. L., et al. Clinically applicable procedure for gene delivery to fetal gut by ultrasound-guided gastric injection: toward prenatal prevention of early-onset intestinal diseases. Hum. Gene Ther. 17 (7), 767-779 (2006).

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