本研究描述了一种用于评估超声引导下高强度聚焦超声相控阵系统在焦平面内靶向准确性的实验方案。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
相控阵列正越来越多地用作现有体外超声引导高强度聚焦超声（HIFU）（USgHIFU）系统中的HIFU换能器。此类系统中的HIFU换能器通常呈球形，中心带有一个孔，用于安装超声成像探头并可实现旋转。通过探头旋转过程中获取的图像序列，可重建治疗平面上的图像，从而可在重建图像上制定治疗计划。为评估此类系统在焦平面内的靶向准确性，本文描述了一种使用牛肌肉及嵌有标记物的模体的方法方案。在该模体中，位于方形树脂模型四个角上的四个实心球体在重建图像中作为参考标记。应移动靶点，使其中心与方形模型的中心在重建图像中的相对位置重合。在模体上方放置厚度约为30 mm的猪肌肉，以模拟临床条件下的声束传播路径。超声辐照后，对模体中的治疗平面进行扫描，并从扫描图像中提取相应损伤区域的边界。通过测量靶点中心与损伤区域中心之间的距离以及三个衍生参数，可评估靶向准确性。该方法不仅可用于评估在USgHIFU相控阵系统具有临床相关声束路径条件下，由多个焦点而非单一焦点组成的靶点的靶向准确性，还可用于配置相控阵或自聚焦HIFU换能器的USgHIFU系统的临床前评估或常规维护。
引言
相控阵在高强度聚焦超声（HIFU）系统中的设计与应用日益广泛1,2,3,4,5,6,7。在超声引导的HIFU相控阵系统中，通常将超声成像探头安装在球形HIFU换能器的中心孔内1,2,8。该探头可旋转，以实现三维空间中的靶向定位与图像重建9。精确的靶向定位对于HIFU治疗的安全性和有效性至关重要。然而，目前大多数关于靶向精度评估的研究均针对磁共振引导的HIFU系统，或配置了自聚焦HIFU换能器的超声引导HIFU系统10,11,12,13,14,15,16。下述方法的目的是评估超声引导HIFU相控阵系统在焦平面内的靶向精度。
在评估临床超声引导高强度聚焦超声（USgHIFU）相控阵系统靶向准确性的过程中，使用沿临床相关声束路径嵌入牛肌肉和标记物的仿组织体模。将一个在四个角处带有小球的方形模型与牛肌肉组织结合，共同嵌入透明体模中。根据治疗平面上重建的超声图像中四个小球中心位置的分布，选择正六边形作为目标区域。高强度聚焦超声（HIFU）辐照后，对体模的治疗平面进行扫描，可在扫描图像中确定消融病灶的边界以及四个小球的位置。通过测量目标中心与病灶中心之间的距离，以及三个衍生参数，可对靶向准确性进行评估。
该方法比使用机器人运动和特定参考物测量靶向误差的方法更为简便11,17,18，且相较于基于均质体模中单焦点消融的方法更具临床相关性10。该方法可用于评估超声引导高强度聚焦超声（USgHIFU）相控阵系统的靶向准确性，也可用于其他配备自聚焦HIFU换能器的USgHIFU系统。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 标记物的设计与制备
- 使用计算机辅助设计软件设计一个方形模型。将每条边设置为长度40 mm、厚度2 mm的杆状结构，并在方形模型的每个角上放置一个直径为10 mm的实心球体。
- 采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯光敏树脂作为打印材料。
- 将3D模型文件发送给制造商进行加工制作。
2. 模体制备
- 在室温下，用硅胶将一个塑料圆筒（直径 8 cm，高 3 cm）固定在亚克力底板上，制成模体支架。静置 1 小时。
- 将新鲜的牛肌肉切成方形（30 mm × 30 mm，厚度 10 mm），通风 2 小时以蒸发水分。
- 在烧杯中倒入脱气去离子水（115 mL），加入 13 g 丙烯酰胺，搅拌至完全溶解；再加入 0.24 g 双丙烯酰胺，搅拌至溶解；随后加入 0.2 mL N,N,N',N'-四甲基乙二胺，充分搅拌均匀。
注意：请佩戴口罩和橡胶手套。 - 在另一烧杯中准备 5 mL 脱气去离子水，加入 0.3 g 过硫酸铵，搅拌至溶解。
警告：丙烯酰胺、双丙烯酰胺、N,N,N',N'-四甲基乙二胺和过硫酸铵具有毒性，请务必小心操作，避免身体接触。 - 依次将步骤 2.3 和 2.4 中制备的溶液各取 40% 倒入模体支架中，搅拌 5 秒，静置 20 分钟使其凝固。
- 将 3D 打印的方形模型放置在已凝固的模体表面，并将切好的牛肌肉置于模型中央；将步骤 2.3 中剩余的溶液倒入模体支架中，前后移动牛肌肉以排除模体与组织切片界面间的空气。
- 将步骤 2.4 中剩余的溶液倒入模体支架中，搅拌 5 秒。
- 微调牛肌肉切片在模体中的位置，使其在横向方向上位于模体中心。静置 20 分钟，使模体完全固化。
- 使用螺丝刀清除圆柱形塑料与亚克力底板之间的硅胶。
- 缓慢将亚克力底板从圆柱形塑料上分离。
3. 超声引导高强度聚焦超声（USgHIFU）系统的设置
- 启动临床超声引导高强度聚焦超声（USgHIFU）系统。
- 打开水处理模块，将水循环速度设置为80转/分钟。
- 将脱气的室温水（22–25 °C）注入一个丙烯酸圆柱形水箱（直径30 cm，高13 cm）中。
- 将模体支架放入脱气水中，并牢固固定支架。
- 将圆柱形水箱移至治疗床上。抬起治疗床并移动 将治疗单元放入脱气水中。
4. 超声引导下靶向定位
- 缓慢上下移动治疗单元，确保治疗平面的深度位于超声图像中切开的牛肌肉与透明模体上界面的交界处。
- 将超声成像探头旋转至 0°，并移动圆柱形水箱，使旋转轴（也称为成像轴）穿过超声图像中两根平行棒的中点。
- 将成像探头旋转至 90°，并移动圆柱形水箱，使旋转轴穿过超声图像中两根平行棒的中点。
- 在几何焦点深度处重建治疗平面上的超声图像。
- 检查重建的超声图像中是否清晰显示四个球体，以及目标是否位于方形模型的中心。
注意：目标中心预先设定在重建图像的中心。球体由直径为 10 mm 的圆形确定，其在 15 mm × 15 mm 正方形区域内的平均灰度值最高。方形模型的中心由重建图像中四个球体的对角线交点确定。 - 根据目标与方形模型之间的相对位置移动水箱，并重复步骤 4.4 和 4.5。
- 抬起治疗单元，在模体上方放置厚度约为 30 mm 的猪肌肉。然后将治疗单元下移，直至几何焦点深度位于切开的牛肌肉上表面下方 3 mm 处。
注意：沿声束路径的 3 mm 焦点校正，是根据猪肌肉厚度并依据先前研究中的经验公式估算得出19。
5. HIFU 照射
- 选择以下超声参数：脉冲持续时间（400 ms）、占空比（80%）、声功率（400 W）以及在对连续焦点区域进行超声处理之间的冷却时间（30 s）。
- 设置目标区域内焦点的照射时间。
- 对三个同心正六边形目标区域重复该操作，其对角线长度分别为 5.4 mm、9 mm 和 12.6 mm。将位于内层、中层和外层六边形的焦点照射时间分别设置为 2.0 s、2.5 s 和 3.0 s，相控阵几何中心处的焦点照射时间为 2.0 s。
- 启动超声处理，并用一只脚踩下高强度聚焦超声（HIFU）的脚踏开关。
- 观察超声图像中回声性的变化，直至超声处理完成。
6. 评估 USgHIFU 相控阵系统的靶向准确性
- 取出模体支架，并平稳按压模体以将其取出。
- 使用刀具沿治疗平面将模体切开。
- 扫描包含切割后牛肌肉的模体治疗平面。
- 使用数学软件处理扫描图像，并提取目标区域和病灶区域的边界。
- 计算目标与病灶中心之间的距离 dc 以及目标边界的最大超出距离 db。
注：dc 表示目标区域与其对应病灶区域中心之间的距离，db 表示病灶边界相对于对应目标边界的最大超出距离。 - 分别计算病灶区域内和区域外面积相对于目标区域面积的比值：ηI = (SA ∩ SP) / SP 和 ηO = (SA - SA ∩ SP) / SP。
注：SP 表示目标区域面积，SA 表示病灶区域面积。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
我们制备了用于评估临床超声引导高强度聚焦超声（USgHIFU）相控阵系统对三种不同尺寸目标靶向准确性的仿组织体模。图1展示了0°和90°角度下的超声图像，界面清晰，方形模型的棒状结构在超声图像中显示明亮。图2展示了治疗平面上重建的超声图像以及最大目标的焦点位置，四个球体的中心由大小相同且平均灰度值最高的蓝色圆圈标出。图3展示了仿组织体模治疗平面的扫描图像以及目标和病灶边界的提取结果。
我们能够根据以下参数评估焦平面内的靶向准确性： dc, db, ηI，以及 ηO 在方案第6节中定义。针对每个靶点，实验重复三次。结果展...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
机器人组件已用于体外超声引导高强度聚焦超声（USgHIFU）系统。为了评估此类系统的靶向准确性，已有研究单独或联合使用参考标记物11,12,18、体外组织17、模拟肿瘤模型以及温度敏感型模体10,20。与这些研究中的方案相比，本方法更具临床相关性，并且便于量化焦平面内的靶向误差。通过将参考标记物与非均质透明模体相结合，本方法是在先前一项用于评估针对乳腺肿瘤消融的USgHIFU系统靶向准确性的研究基础上改进而来21。在前期研究中，我们已利用该方法验证了所开发的用于子宫肌瘤治疗的USgHIFU相控阵系统的有效性22。在未对声束路径进行焦点校正的情况下进行测试时，在切开的牛肌肉组织中仅观察到很小一部分...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
Xiang Ji 是中惠医疗科技（上海）有限公司的付费顾问。其他作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作部分得到了中国国家自然科学基金（81402522）和上海市关键技术研究与发展项目&上海市科学技术委员会 #38;D 计划（17441907400）和上海交通大学医工交叉研究基金（YG2017QN40，YG2015ZD10）提供资助。感谢中惠医疗科技（上海）有限公司提供 USgHIFU 系统。作者感谢朱文臻和董俊辉在模体制备及实验过程中提供的帮助。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 丙烯酰胺 | Amresco | D403-2 | |
| 亚克力踢脚线 | LAO NIAO STORES | 定制 | |
| 亚克力圆柱形水箱 | LAO NIAO STORES | 定制 | |
| 过硫酸铵 | 亚泰联合化工有限公司（中国无锡） | 2017-03-01 | |
| 烧杯 | 华东化学试剂仪器商店 | ||
| 双丙烯酰胺 | Amresco | M0172 | |
| 牛肌肉 | 市场 | ||
| 砧板 | 佳驰 | JC-ZB40 | |
| 圆柱形塑料 仿体支架 | 启音牌 | 定制 | |
| 脱气去离子水 | 由USgHIFU系统制备 | ||
| 电子天平 | 英恒 | 11119453359 | |
| 玻璃棒 | 华东化学试剂仪器商店 | ||
| 刀具 | 十八子 | SL1210-C | |
| 口罩 | Medicom | 2498 | |
| N,N,N’,N’–四甲基乙二胺 | 展云化工有限公司（中国上海） | ||
| 橡胶手套 | AMMEX | YZB/MAL 0587-2018 | |
| 扫描仪 | 富士施乐 | DocuPrint M268dw | |
| 螺丝刀 | Stanley | T6 | |
| 硅胶 | GE | 381 | |
| 方形模具 | 启音牌 | 定制 | |
| 不锈钢勺子 | 华东化学试剂仪器商店 | ||
| 吸盘 | 华东化学试剂仪器商店 | ||
| 猪肌肉 | 市场 | ||
| USgHIFU系统 | 中惠医疗科技（上海）有限公司 | SUA-I |
参考文献
- Wang, S. B., He, C. C., Li, K., Ji, X. Design of a 112-channel phased-array ultrasonography-guided focused ultrasound system in combination with switch of ultrasound imaging plane for tissue ablation. 2014 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic Waves, and Device Applications (SPAWDA). , 134-137 (2014).
- Choi, J. W., et al. Portable high-intensity focused ultrasound system with 3D electronic steering, real-time cavitation monitoring, and 3D image reconstruction algorithms: a preclinical study in pigs. Ultrasonography. 33 (3), 191-199 (2014).
- Hand, J. W., et al. A random phased array device for delivery of high intensity focused ultrasound. Physics in Medicine and Biology. 54 (19), 5675-5693 (2009).
- Khokhlova, V. A., et al. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia. 87, 132-138 (2016).
- Melodelima, D., et al. Thermal ablation by high-intensity-focused ultrasound using a toroid transducer increases the coagulated volume results of animal experiments. Ultrasound in Medicine and Biology. 35 (3), 425-435 (2009).
- McDannold, N., et al. Uterine leiomyomas: MR imaging-based thermometry and thermal dosimetry during focused ultrasound thermal ablation. Radiology. 240 (1), 263-272 (2006).
- Köhler, M. O., et al. Volumetric HIFU ablation under 3D guidance of rapid MRI thermometry. Medical Physics. 36 (8), 3521-3535 (2009).
- Lu, M., et al. Image-guided 256-element phased-array focused ultrasound surgery. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 27 (5), 84-90 (2008).
- Tong, S., Downey, D. B., Cardinal, H. N., Fenster, A. A three-dimensional ultrasound prostate imaging system. Ultrasound in Medicine and Biology. 22 (6), 735-746 (1996).
- Sakuma, I., et al. Navigation of high intensity focused ultrasound applicator with an integrated three-dimensional ultrasound imaging system. Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention. , 133-139 (2002).
- Masamune, K., Kurima, I., Kuwana, K., Yamashita, H. HIFU positioning robot for less-invasive fetal treatment. Procedia CIRP. 5, 286-289 (2013).
- Li, K., Bai, J. F., Chen, Y. Z., Ji, X. The calibration of targeting errors for an ultrasound-guided high-intensity focused ultrasound system. 2017 IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications (MeMeA). , 10-14 (2017).
- Ellens, N. P. K., et al. The targeting accuracy of a preclinical MRI-guided focused ultrasound system. Medical Physics. 42 (1), 430-439 (2015).
- McDannold, N., Hynynen, K. Quality assurance and system stability of a clinical MRI-guided focused ultrasound system: Four-year experience. Medical Physics. 33 (11), 4307-4313 (2006).
- Gorny, K. R., et al. MR guided focused ultrasound: technical acceptance measures for a clinical system. Physics in Medicine and Biology. 51 (12), 3155-3173 (2006).
- Kim, Y. S., et al. MR thermometry analysis of sonication accuracy and safety margin of volumetric MR imaging-guided high-intensity focused ultrasound ablation of symptomatic uterine fibroids. Radiology. 265 (2), 627-637 (2012).
- Chauhan, S., ter Haar, G. FUSBOTUS: empirical studies using a surgical robotic system for urological applications. AIP Conference Proceedings. 911, 117-121 (2007).
- An, C. Y., Syu, J. H., Tseng, C. S., Chang, C. J. An ultrasound imaging-guided robotic HIFU ablation experimental system and accuracy evaluations. Applied Bionics and Biomechanics. 2017, 5868695(2017).
- Li, D. H., Shen, G. F., Bai, J. F., Chen, Y. Z. Focus shift and phase correction in soft tissues during focused ultrasound surgery. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 58 (6), 1621-1628 (2011).
- N'Djin, W. A., et al. Utility of a tumor-mimic model for the evaluation of the accuracy of HIFU treatments. results of in vitro experiments in the liver. Ultrasound in Medicine and Biology. 34 (12), 1934-1943 (2008).
- Tang, T. H., et al. A new method for absolute accuracy evaluation of a US-guided HIFU system with heterogeneous phantom. 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). , 1-4 (2016).
- Li, K., Bai, J. F., Chen, Y. Z., Ji, X. Experimental evaluation of targeting accuracy of an ultrasound-guided phased-array high-intensity focused ultrasound system. Applied Acoustics. 141, 19-25 (2018).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
