Summary
Questo studio descrive un protocollo per valutare l'accuratezza del targeting nel piano focale di un sistema di phased-array ecoguidato ultrasuoni focalizzati ad alta intensità.
Abstract
Phased array sono sempre più utilizzati come trasduttori ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (HIFU) extracorporea ecoguidato HIFU (USgHIFU) sistemi esistenti. I trasduttori HIFU in tali sistemi sono solitamente sferici in forma con un foro centrale dove una sonda imaging US è montata e può essere ruotata. L'immagine sul piano del trattamento può essere ricostruita attraverso la sequenza di immagini acquisite durante la rotazione della sonda. Pertanto, il piano di trattamento possa essere effettuato le immagini ricostruite. Al fine di valutare l'accuratezza del targeting nel piano focale di tali sistemi, il protocollo di un metodo utilizzando un bovino muscolare e indicatore incorporato phantom è descritto. Nel fantasma, quattro sfere solide negli angoli di un modello quadrato in resina servono come gli indicatori di riferimento nell'immagine ricostruita. La destinazione deve essere spostata in modo che sia il suo centro e il centro del quadrato modello può coincidere secondo la loro posizione relativa dell'immagine ricostruita. Muscolo di suina con uno spessore di circa 30 mm viene posizionato sopra il fantasma per simulare il percorso del raggio nelle regolazioni cliniche. Dopo sonicazione, il piano di trattamento nel fantasma viene analizzato e il contorno della lesione associata viene estratta dall'immagine acquisita. L'accuratezza del targeting può essere valutato misurando la distanza tra i centri di lesione e di destinazione, come pure tre parametri derivati. Questo metodo non è possibile valutare solo l'accuratezza del targeting del target costituito da punti focali multipli piuttosto che un singolo punto focale in un percorso di larghezza clinicamente rilevanti del sistema phased-array USgHIFU, ma può essere anche utilizzato nella valutazione preclinica o regolare manutenzione di sistemi di USgHIFU configurati con trasduttore HIFU phased-array o auto-incentrato.
Introduction
Phased array è sempre più progettato e attrezzato in HIFU sistemi1,2,3,4,5,6,7. In USgHIFU sistemi phased-array, una sonda di formazione immagine degli Stati Uniti è di solito montata nel foro centrale del sferica HIFU trasduttore1,2,8. La sonda è ruotabile per la ricostruzione di targeting e immagine nello spazio tridimensionale9. Una focalizzazione precisa è necessaria per la sicurezza e l'efficacia del trattamento HIFU. Tuttavia, la maggior parte degli studi per la valutazione della precisione di targeting sono stata effettuata per sistemi di guida di risonanza magnetica HIFU o USgHIFU sistemi configurati con un auto-incentrato HIFU trasduttore10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. lo scopo del metodo descritto di seguito è quello di valutare l'accuratezza del targeting nel piano focale per sistemi phased array USgHIFU.
Un fantasma bovina muscolo/marcatore-incastonati lungo il percorso del fascio clinicamente rilevanti è utilizzato nella valutazione dell'accuratezza targeting di un sistema di phased-array USgHIFU clinico. Un modello quadrato con quattro palle agli angoli è fabbricato e incorporato, in combinazione con il muscolo bovino, nel fantasma trasparente. Un esagono regolare è selezionato come destinazione sulla base delle posizioni dei centri dei quattro palle identificate nell'immagine ricostruita US nel piano di trattamento. Dopo sonicazioni HIFU, viene analizzato il piano di trattamento del fantasma e il contorno della lesione, così come le posizioni delle quattro sfere, possono essere determinate nell'immagine scansionata. L'accuratezza del targeting può essere valutato misurando la distanza tra i centri di lesione e di destinazione, come pure tre parametri derivati.
Il metodo è più semplice che la misurazione dell'errore targeting utilizzando movimento robotico con un riferimento specifico oggetto11,17,18 e più clinicamente rilevante rispetto al metodo basato su singolo focale ablazione di spot in un fantasma omogeneo10. Questo metodo può essere utilizzato nella valutazione dell'accuratezza targeting dei sistemi phased array USgHIFU. Può essere utilizzato anche per altri sistemi di USgHIFU auto-incentrato HIFU trasduttori.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. fabbricazione e progettazione marker
- Progettare un modello quadrato utilizzando software di progettazione assistita da elaboratore. Impostare ogni lato come bastoni con lunghezze di 40 mm e spessori da 2 mm. luogo una sfera solida con un diametro di 10 mm ad ogni angolo del quadrato modello.
- Utilizzare resina fotosensibile di acrilonitrile-butadiene-stirene come il materiale per la stampa.
- Inviare il file di modello 3D di un produttore per la fabbricazione.
2. preparazione phantom
- Allegare un cilindro di plastica con (un diametro di 8 cm) e un'altezza di 3 cm per un battiscopa acrilico con gel di silice per rendere un fantasma porta a temperatura ambiente. Lasciate riposare per 1 h.
- Affettare il muscolo bovino fresco in una forma quadrata (30 mm x 30 mm, con uno spessore di 10 mm) e ventilare per 2 h per far evaporare l'umidità.
- Versare l'acqua deionizzata e degassato (115 mL) in un becher, aggiungere in 13 g di acrilammide e mescolare fino a scioglimento. Aggiungere 0,24 g di bis-acrilammide e mescolare fino a scioglimento. Quindi, aggiungere 0,2 mL di N, N, N', N'-tetrametiletilendiammina e mescolare in modo uniforme.
Nota: Mettere su una maschera e guanti di gomma. - Preparare 5 mL di acqua deionizzata e degassato in un altro bicchiere, aggiungere 0,3 g di persolfato di ammonio e mescolare per sciogliere.
Attenzione: Acrilamide, bis-acrilammide, N, N, N', N'-tetrametiletilendiammina e persolfato dell'ammonio sono tossici. Prestare attenzione ed evitare il contatto fisico. - Successivamente versare 40% delle soluzioni da punti 2.3 e 2.4 in titolare del fantasma e mescolare per 5 s. Lasciate il composto riposare per 20 min a solidificare.
- Posizionare il modello quadrato 3D-stampato sulla superficie del phantom solidificato e mettere il muscolo bovino affettato al centro del modello. Versare il resto della soluzione dal passaggio 2.3 in titolare del fantasma. Spostare il muscolo bovino avanti e indietro per rimuovere l'aria tra l'interfaccia del fantasma e la fetta.
- Versare il resto della soluzione preparata nel passaggio 2.4 nel porta-fantasma e mescolare per 5 s.
- Regolare con precisione la posizione del muscolo bovino affettato al centro del fantasma lungo la direzione trasversa. Lasciate riposare per 20 min a solidificare il fantasma.
- Rimuovere il gel di silice tra la plastica cilindrica e il battiscopa acrilico, con un cacciavite.
- Staccare lentamente il battiscopa acrilico dalla plastica cilindrica.
3. installazione del sistema USgHIFU
- Avviare il sistema di USgHIFU clinico.
- Accendere il modulo di trattamento dell'acqua e impostare la velocità di circolazione dell'acqua a 80 giri/min.
- Riempire un serbatoio cilindrico acrilico con (un diametro di 30 cm) e un'altezza di 13 cm con acqua degassato a temperatura ambiente (22-25 ° C).
- Collocare il supporto fantasma in acqua degassato e fissare saldamente il supporto.
- Spostare il serbatoio d'acqua cilindrico sul letto di trattamento. Sollevare il letto di trattamento e spostare verso il basso l'unità terapeutica in acqua degassato.
4. noi-Guida di targeting
- Spostare l'unità terapeutica lentamente fino e giù per assicurarsi che la profondità del piano di trattamento si trova presso l'interfaccia superiore del muscolo bovino affettato e phantom trasparenti nell'immagine US.
- Ruotare la sonda imaging statunitense a 0° e il serbatoio cilindrico per rendere l'asse di rotazione (noto anche come asse imaging) passano attraverso il punto centrale dei due bastoni paralleli nell'immagine US.
- Ruotare la sonda imaging a 90° e spostare il serbatoio cilindrico per rendere l'asse di rotazione passa attraverso il punto centrale dei due bastoni paralleli nell'immagine US.
- Ricostruire l'immagine di US sul piano di trattamento presso la profondità del fuoco geometrico.
- Verifica se le quattro sfere sono mostrate chiaramente nell'immagine ricostruita di Stati Uniti e se la destinazione è situata al centro del modello quadrato.
Nota: Il centro del bersaglio è predeterminato al centro dell'immagine ricostruita. La palla è determinata da un cerchio con un diametro di 10 mm, il cui valore medio grigio è più alto in un 15 x 15 mm quadrati. Il centro del quadrato modello è determinato dalla diagonale delle quattro sfere nell'immagine ricostruita. - Spostare il serbatoio dell'acqua secondo le posizioni relative tra l'obiettivo e i modello quadrato e ripetere i passaggi 4.4 e 4.5.
- Sollevare l'unità terapeutica e mettere il muscolo suina con uno spessore di circa 30 mm sopra il fantasma. Quindi, spostare verso il basso l'unità terapeutica fino a quando la profondità del fuoco geometrico è 3 mm sotto la superficie superiore del muscolo bovino affettato.
Nota: La correzione di focale di 3 mm lungo il percorso del raggio è stimata in base allo spessore del muscolo suina basato sulla formula empirica da un precedente studio19.
5. sonicazione HIFU
- Selezionare i seguenti parametri di sonicazione: durata di impulso (400 ms), ciclo di dovere (80%), acustica (400 W) di alimentazione e raffreddamento tempo tra la sonicazione dei successivi punti focali (30 s).
- Impostare il tempo di esposizione per i punti focali nella destinazione.
- Ripetere la procedura per tre obiettivi esagonali regolari concentrici con rispettive diagonali di 5,4 mm, 9 mm e 12,6 mm. tempi di esposizione Set di 2.0 s, 2.5 s e 3.0 s per i punti focali situati presso l'esagono interno, intermedia ed esterna, rispettivamente e 2.0 s per l'UFC al posto al centro geometrico del phased array.
- Avviare la sonicazione e mettere un piede sul pedale del piede per sonicazione HIFU.
- Osservare il cambiamento del echogenicity nell'immagine US fino a quando i sonicazioni sono stati completati.
6. valutare l'accuratezza del targeting del sistema phased-array USgHIFU
- Recuperare il titolare fantasma e premere delicatamente il fantasma di tirarla fuori.
- Dividere il fantasma lungo il piano di trattamento usando un coltello.
- Analizzare il piano di trattamento del fantasma che contiene il muscolo bovino affettato.
- Elaborare l'immagine acquisita utilizzando software matematico ed estrarre i limiti della destinazione e della lesione.
- Calcolare la distanza intercenter dc e la massima sovraelongazione di destinazione limite db.
Nota: dc è la distanza fra i centri del bersaglio e la sua lesione rispettivi. d b è il massimo sovraelongazioni distanza tra il limite della lesione e l'obiettivo rispettivo. - Calcolare il rapporto delle aree di lesione dentro e fuori il bersaglio per l'area di destinazione come ηio = (SA ∩ SP) / SP e ηO = (SA - SA ∩ SP) / SP, rispettivamente.
Nota: SP indica l'area di destinazione, SA rappresenta l'area di lesione.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Abbiamo fatto fantasmi dedicato per valutare l'accuratezza del targeting di un sistema di phased-array USgHIFU clinico con gli obiettivi di tre diverse dimensioni. Figura 1 Visualizza l'immagine di US ad angoli di 0 ° e 90 °. Le interfacce sono chiare, e i bastoni del modello quadrato sono luminosi nelle immagini US. Nella figura 2 viene illustrato l'immagine ricostruita US nel piano di trattamento e i punti focali dell'obiettivo più grande. I centri delle quattro sfere sono stati determinati mediante i cerchi blu delle stesse dimensioni con il più alto valore grigio medio. La figura 3 Mostra le immagini scansionate il piano di trattamento del fantasma e i confini estratti degli obiettivi e lesioni.
Siamo stati in grado di valutare l'accuratezza del targeting nel piano focale in base ai parametri di dc, d,b, ηioe ηO definito nella sezione 6 del protocollo. Gli esperimenti sono stati ripetuti tre volte per ogni destinazione. I risultati sono presentati in tabella 1.
Figura 1 : Immagini di US ad angoli di 0° e 90°. Lo spessore del muscolo suina era di circa 30 mm. Le interfacce di tessuto-phantom-tessuto lungo il percorso del fascio possono essere distinto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 : Ricostruita immagine US sul piano di trattamento. I cerchi blu (con il valore di grigio medio più alto nelle piazze tratteggiata in rosso) determinano le posizioni di quattro sfere e il centro del modello quadrato, che è anche il centro dei bersagli (il punto rosso). Le piazze di marrone scure indicano i punti focali nella più grande destinazione esagonale regolare. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 : Immagini digitalizzate ed estratti i confini di diversi target dopo sonicazione HIFU. (A) le lesioni dei tre bersagli con diagonali di 5,4 mm, 9 mm e 12,6 mm da sinistra a destra. (B) estratti i confini dei tre obiettivi (blu) e le lesioni corrispondenti (nero). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Diagonale di esagono regolare (mm) | d c (mm) | d b (mm) | Η Ho | Η O |
| 5.4 | ± 0,6 0,3 | 1,6 ± 0,3 | 100 ± 0% | 45 ± 11% |
| 9,0 | 0,9 ± 0,3 | 1,7 ± 0.6 | 98 ± 1% | 40 ± 6% |
| 12,6 | 1,1 ± 0,4 | 1,7 ± 0,7 | 96 ± 3% | 20 ± 6% |
Tabella 1: riepilogo dei parametri per valutare l'accuratezza del targeting. I valori di dc db, ηioe ηO sono stati espressi come media ± deviazione standard.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Componenti robotiche sono state utilizzate per sistemi di USgHIFU extracorporea. Per valutare l'accuratezza del targeting di tali sistemi, riferimento marcatori11,12,18, tessuto in vitro17, modelli di tumore-mimico e termosensibile fantasmi sono stati utilizzati da soli o in combinazione 10,20. Confrontato con i protocolli in quegli studi, questo metodo è più clinicamente rilevante e lo rende facile da quantificare l'errore targeting nel piano focale. Combinando il marcatore di riferimento con la phantom eterogenea, trasparente, questo metodo è stato modificato da un altro studio per valutare l'accuratezza del targeting di un sistema di USgHIFU di ablazione del tumore al seno21ha puntato. Abbiamo verificato l'efficacia di questo metodo con il nostro sistema phased-array USgHIFU utilizzato su fibromi uterini nel precedente studio22. Abbiamo effettuato test senza correzione focale lungo il percorso del fascio, e solo una piccola parte (~ 2 mm di lunghezza) della lesione è stata trovata nel muscolo bovino affettato. Dopo la correzione focale basata sulla formula empirica19, la lesione (~ 5 mm di lunghezza) è stata trovata nel muscolo bovino affettato, che ha confermato il miglioramento nell'accuratezza targeting lungo il percorso del fascio. Inoltre, la valutazione di targeting di precisione nel piano focale è di valore più pratico rispetto a metodi puntato la precisione di un singolo punto focale per ablazione del tumore solido.
La selezione del muscolo bovino rende chiaramente distinguibile dal tessuto circostante rispetto alle lesioni creato nei muscoli di suini o pollo da ablazione HIFU in vitro la lesione. La realizzazione del bovino fantasma trasparente muscolare/marcatore-incorporato è critica per l'intero protocollo di valutare l'accuratezza del targeting del sistema phased-array USgHIFU. Inoltre, la determinazione di se coincidono i centri del target e il modello quadrato è essenziale per la procedura di valutazione; così, la posizione del fantasma deve essere regolata. Il bianco setto intramuscolare nel muscolo bovino affettato rende la segmentazione di soglia insufficiente per estrarre il contorno della lesione dall'immagine scansionata; di conseguenza, segmentazione manuale dovrebbe essere utilizzato quando necessario.
Ci sono ancora limitazioni al presente protocollo. Questo studio si propone per la valutazione di targeting di precisione nel piano focale solo, ed è applicabile a sistemi phased-array USgHIFU. Tuttavia, per i sistemi di USgHIFU con un trasduttore di auto-incentrato, passaggi 4.2-4.4 del protocollo devono essere rivisto. L'immagine di US sul piano di trattamento può essere ricostruita attraverso le immagini acquisite, traducendo la sonda imaging US anziché di rotazione, e gli altri passaggi nel protocollo rimangono gli stessi. La valutazione precisa di targeting di precisione può essere utile quando si cerca di ridurre il margine di sicurezza e aumentare il volume di ablazione, che migliorerebbe l'efficacia del trattamento. Inoltre, questo metodo può essere utilizzato a garanzia della qualità, il sistema di azionamento di HIFU.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Xiang Ji è un consulente pagato per Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd. Gli altri autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato in parte dalla National Natural Science Foundation of China (81402522), Shanghai Key Technology R & D programma (17441907400) da scienza e tecnologia della Commissione della municipalità di Shanghai e Shanghai Jiao Tong University Fondo di ricerca di ingegneria medica (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd. è anche riconosciuto per fornire il sistema di USgHIFU. Gli autori ringraziano Wenzhen Zhu e Junhui Dong per la preparazione di fantasma e la loro assistenza negli esperimenti.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acrylamide | Amresco | D403-2 | |
| Acrylic baseboard | LAO NIAO STORES | customized | |
| Acrylic cylindrical water tank | LAO NIAO STORES | customized | |
| Ammonium persulfate | Yatai United Chemical Co., Ltd (Wuxi, China) | 2017-03-01 | |
| Beaker | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Bis-acrylamide | Amresco | M0172 | |
| Bovine muscle | Market | ||
| Chopping board | JIACHI | JC-ZB40 | |
| Cylindrical plastic phantom holder | QIYINPAI | customized | |
| Degassed deionized water | made by the USgHIFU system | ||
| Electric balance | YINGHENG | 11119453359 | |
| Glass rod | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Knife | SHIBAZI | SL1210-C | |
| Mask | Medicom | 2498 | |
| N,N,N’,N’–Tetramethylethylenediamine | Zhanyun Chemical Co., Ltd (Shanghai, China) | ||
| Rubber glove | AMMEX | YZB/MAL 0587-2018 | |
| Scanner | Fuji Xerox | DocuPrint M268dw | |
| Screwdriver | Stanley | T6 | |
| Silica gel | GE | 381 | |
| Square model | QIYINPAI | customized | |
| Stainless steel spoons | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Sucker | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Swine muscle | Market | ||
| USgHIFU system | Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd. | SUA-I |
References
- 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).
