Summary
Denna studie beskriver ett protokoll för att utvärdera den inriktning noggrannheten i fokalplanet ett ultraljud-guidad hög intensitet fokuserat ultraljud fasas-array system.
Abstract
Phased matriser används alltmer som hög intensitet fokuserat ultraljud (HIFU) givare i de befintliga extrakorporeal ultraljud-guidad HIFU (USgHIFU) system. HIFU omvandlarna i sådana system är oftast sfärisk form med ett centralt hål där en US imaging sond är monterad och kan roteras. Bilden på planet behandling kan rekonstrueras genom den bildsekvens som förvärvats under rotationen av sonden. Behandlingsplan kan därför göras på de rekonstruerade bilderna. För att utvärdera den inriktning noggrannheten i fokalplanet system, protokollet av en metod där ett nötkreatur är muskel och markör-embedded phantom beskriven. I Fantomen tjäna fyra fasta bollar i hörnen av en fyrkantig kåda modell som referens markörer i rekonstruerade bilden. Målet bör flyttas så att både dess centrum och centrum av den kvadratiska modellen kan sammanfalla enligt deras relativa lägen i rekonstruerade bilden. Svin muskler med en tjocklek av ca 30 mm placeras ovanför Fantomen att efterlikna strålgång i kliniska inställningar. Efter ultraljudsbehandling, behandling planet i Fantomen skannas och gränsen för associerade lesionen extraheras från den skannade bilden. Inriktning noggrannhet kan utvärderas genom att mäta avståndet mellan centrerar av mål och lesion, samt tre härledda parametrar. Denna metod kan inte bara utvärdera målet som består av flera fokal fläckar i stället för en enda fokal plats i en kliniskt relevant strålgång USgHIFU fasas-array systemets inriktning noggrannhet, men det kan också användas i prekliniska utvärderingen eller regelbundet underhåll av USgHIFU system som konfigurerats med fasas-array eller själv fokuserad HIFU givare.
Introduction
Den phased arrayen är alltmer utformad och utrustad i HIFU system1,2,3,4,5,6,7. I USgHIFU fasas-array system, är en US imaging sond oftast monterad i centrala hålet i den sfäriska HIFU givare1,2,8. Sonden är vridbar för inriktning och bild återuppbyggnad i tredimensionella rymden9. Exakt inriktning krävs för säkerhet och effekt av HIFU behandling. Dock har de flesta studier för utvärdering av inriktning noggrannhet utförts för magnetisk resonans-guidad HIFU system eller USgHIFU system som konfigurerats med en egen fokuserad HIFU givaren10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. Syftet med den metod som beskrivs nedan är att utvärdera inriktning noggrannhet i fokalplanet för USgHIFU phased array system.
Ett nötkreatur muskel/markör-embedded phantom längs den kliniskt relevanta strålgång används i utvärderingen av en klinisk USgHIFU fasas-array system inriktning noggrannhet. En fyrkantig modell med fyra bollar i hörnen är fabricerade och inbäddade, i kombination med nötkreatur muskel, i transparent Fantomen. En regelbunden sexhörning väljs som mål utifrån ståndpunkterna av centrerar av fyra bollar identifieras i rekonstruerade US bilden på behandling planet. Behandling plan Fantomen genomsöks efter HIFU sonications, och gränsen för lesionen, samt placerar av fyra bollar, kan bestämmas i den skannade bilden. Inriktning noggrannhet kan utvärderas genom att mäta avståndet mellan centrerar av mål och lesion, samt tre härledda parametrar.
Metoden är enklare än mätning av inriktning felet med robotliknande rörelser med en specifik referens objekt11,17,18 och mer kliniskt relevant jämfört med metoden baserat på enda fokala Spot ablation i en homogen phantom10. Denna metod kan användas i utvärderingen av USgHIFU phased array system inriktning noggrannhet. Det kan också användas för andra USgHIFU system utrustade med egen fokuserad HIFU givare.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. markör konstruktion och tillverkning
- Utforma en fyrkantig modell med datorstödd design mjukvara. Ställ in varje sida som pinnar med 40 mm längd och tjocklek av 2 mm. plats en fast boll med en 10 mm diameter i varje hörn av den kvadratiska modellen.
- Använd akrylnitril butadien styren ljuskänsliga harts som material för utskrift.
- Skicka 3D modellfilen till en tillverkare för tillverkning.
2. phantom förberedelse
- Bifoga en plast cylinder med (8 cm i diameter) och en höjd av 3 cm till en akryl bottenplatta med silica gel för att gör en phantom innehavaren vid rumstemperatur. Låt det sitta i 1 h.
- Skiva färska nötkreatur muskel i en fyrkantig form (30 mm x 30 mm, med en tjocklek på 10 mm) och ventilera det för 2 h att avdunsta fukt.
- Häll avgasade och avjoniserat vatten (115 mL) i en bägare, tillsätt i 13 g av akrylamid, och rör tills upplöst. Lägg till 0.24 g bis-akrylamid och rör om tills upplöst. Lägg sedan till 0,2 mL av N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine och rör jämnt.
Obs: Sätta på en mask och gummi handskar. - Förbereda 5 mL avgasade och avjoniserat vatten i en annan bägare, tillsätt 0,3 g ammonium persulfatoxidation och rör för att upplösa.
FÖRSIKTIGHET: Akrylamid, bis-akrylamid, N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine, och ammonium persulfatoxidation är giftiga. Var uppmärksam och undvika fysisk kontakt. - Successivt Häll 40% av lösningar från steg 2.3 och 2.4 i phantom hållaren, och rör för 5 s. Låt blandningen sitta 20 min att stelna.
- Placera 3D-tryckt fyrkantig modell på ytan av stelnad Fantomen, och Lägg skivad nötkreatur muskeln mitt i modellen. Häll resten av lösningen från steg 2,3 i phantom hållaren. Flytta nötkreatur muskeln och tillbaka för att ta bort luften mellan gränssnittet av Fantomen och skiva.
- Häll resten av den lösning som beretts i steg 2,4 i phantom hållaren och rör för 5 s.
- Finjustera placeringen av skivad nötkreatur muskeln till mitten av Fantomen längs tvärgående riktning. Låt det sitta i 20 min att stelna Fantomen.
- Ta bort kiselgel mellan cylindriska plast och akryl baseboard, med en skruvmejsel.
- Långsamt lossa akryl baseboard från cylindriska plasten.
3. inställning av USgHIFU systemet
- Starta kliniska USgHIFU systemet.
- Aktivera modulen vatten-bearbetning, och ange hastigheten för vattencirkulation 80 rundor/min.
- Fyll en akryl cylinderformade vattenbehållaren med (30 cm i diameter) och höjden 13 cm med avgasade vatten vid rumstemperatur (22-25 ° C).
- Placera hållaren phantom i avgasade vattnet och fixa innehavaren tätt.
- Flytta den cylindriska vattentanken på behandling sängen. Lyft behandling sängen och flytta ner den terapeutiska enheten i avgasade vattnet.
4. U.S.-guidad inriktning
- Flytta den terapeutiska enheten långsamt upp och ner för att kontrollera att djupet av behandling planet ligger på övre gränssnittet av skivad nötkreatur muskel och transparent phantom i USA bilden.
- Rotera US imaging sonden till 0° och flytta den cylindriska vattentanken för att göra den roterande axel (också kallad imaging axis) passerar genom mittpunkten av två parallella pinnar i amerikanska bilden.
- Rotera imaging sonden till 90° och flytta cylindriska vattentanken att göra den roterande axeln passerar genom mittpunkten av två parallella pinnar i USA bilden.
- Rekonstruera den amerikanska bilden i behandling planet på djupet av geometriska fokus.
- Kontrollera om fyra bollar visas tydligt i rekonstruerade US bilden och huruvida målet är beläget i centrum av den kvadratiska modellen.
Obs: Mitten av målet är förutbestämt på mitten av rekonstruerade bilden. Bollen bestäms av en cirkel med en 10 mm diameter, vars genomsnittliga grå värde är högst i en 15 x 15 mm fyrkantig. I mitten av den kvadratiska modellen bestäms av diagonalen av fyra bollar i rekonstruerade bilden. - Flytta vattentanken enligt de relativa positionerna mellan målet och fyrkantig modell, och upprepa stegen 4.4 och 4.5.
- Lyft den terapeutiska enheten och sätta svin muskeln med en tjocklek av omkring 30 mm över Fantomen. Sedan flytta ner terapeutiska enheten tills djupet av geometriska fokus är 3 mm under den övre ytan av skivad nötkreatur muskeln.
Obs: 3 mm focal korrigeringen längs strålgång uppskattas enligt muskeltjocklek de svin utifrån den empiriska formeln från en tidigare studie19.
5. HIFU ultraljudsbehandling
- Välj följande ultraljudsbehandling parametrar: pulslängd (400 ms), intermittens (80%), akustisk ström (400 W) och kylning tid mellan ultraljudsbehandling av successiva fokal ställen (30 s).
- Ställa in exponering fokal fläckarna i målet.
- Upprepa proceduren för tre koncentriska regelbundna sexkantiga mål med respektive diagonaler 5.4 mm, 9 mm och 12,6 mm. Ställ in exponering gånger 2.0 s, 2,5 s, och 3.0 s för focal fläckarna ligger på inre, mellersta och yttre hexagon, respektive, och 2.0 s för foc Al plats i geometriska mittpunkt i phased array.
- Starta ultraljudsbehandling och sätta en fot på fotpedalen för HIFU ultraljudsbehandling.
- Observera ändringen av echogenicity i den amerikanska bilden tills sonications har slutförts.
6. utvärdering av systemets USgHIFU fasas-array inriktning noggrannhet
- Hämta phantom innehavaren och smidigt tryck Fantomen ta ut.
- Dela upp Fantomen längs behandling planet med en kniv.
- Skanna Fantomen som innehåller den skivade nötkreatur muskeln behandling plan.
- Bearbeta den skannade bilden som använder matematisk programvara och extrahera gränserna för målet och lesion.
- Beräkna intercenter avståndet dc och den maximala överskridande målet gränsen db.
Obs: dc är avståndet mellan centrerar av målet och dess respektive lesion. d b är den maximala överskridande avstånd mellan gränsen för lesionen och dess respektive mål. - Beräkna förhållandet mellan områdena av lesion i och utanför målet till målområdet som ηjag = (SA ∩ SP) / SP och ηO = (SA - SA ∩ SP) / SP, respektive.
Obs: SP anger målområdet, SA representerar lesionsområdet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vi gjorde fantomer tillägnad utvärdera inriktning riktigheten av en klinisk USgHIFU fasas-array system med målen i tre olika storlekar. Figur 1 visar den amerikanska bilden i vinkel av 0 ° och 90 °. Gränssnitten är tydliga, och minnen av den kvadratiska modellen är ljusa i amerikanska bilder. Figur 2 visar rekonstruerade US bilden i behandling planet och fokal fläckarna av största målet. Centrerar av fyra bollar bestämdes av de blå cirklarna i samma storlek med värdet för högsta genomsnitt grå. Figur 3 visar de skannade bilderna av behandling planet av Fantomen och extraherade gränserna för de mål och lesioner.
Vi har kunnat utvärdera inriktning noggrannhet i fokalplanet enligt parametrarna för dc, db, ηjagoch ηO definieras i avsnitt 6 i protokollet. Experimenten upprepades tre gånger för varje mål. Resultaten presenteras i tabell 1.
Figur 1 : Amerikanska bilder i vinkel av 0° och 90°. Tjockleken på svin muskeln var runt 30 mm. Vävnad-phantom-vävnad gränssnitten längs strålgång kan särskiljas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 : Rekonstruerat USA bild i behandling plan. De blå cirklarna (med det högsta genomsnittliga grå värdet i röd-streckade rutor) fastställa positionerna för fyra bollar och centrera av den kvadratiska modellen, som är också centrum för målen (röd plats). De mörka bruna rutorna anger fokal fläckarna i största regelbundna sexkantiga målet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Skannade bilder och extraheras gränserna för olika mål efter HIFU ultraljudsbehandling. (A) lesioner i de tre målen med diagonaler 5.4 mm, 9 mm och 12,6 mm från vänster till höger. (B) utvinns gränserna för de tre målen (blå) och motsvarande lesioner (svart). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Diagonal på regelbunden sexhörning (mm) | d c (mm) | d b (mm) | Η Jag | 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% |
Tabell 1: Sammanfattning av parametrar för att utvärdera inriktning noggrannhet. Värdena för dc, db, ηjagoch ηO uttrycktes som medelvärde ± standardavvikelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Robotic komponenter har använts för extrakorporeal USgHIFU system. För att utvärdera sådana system, referens markörer11,12,18inriktning noggrannhet, har in vitro-vävnad17, tumör-härma modeller och temperaturkänsliga fantomer använts ensamt eller i kombination 10,20. Jämfört med protokollen i dessa studier, denna metod är mer kliniskt relevant och gör det lätt att kvantifiera inriktning felet i fokalplanet. Genom att kombinera referens markör med heterogena, transparent Fantomen, har denna metod ändrats från en annan studie för att bedöma ett USgHIFU system syftar till att bröstcancer tumör ablation21inriktning noggrannhet. Vi har verifierat effekten av denna metod med vårt USgHIFU fasas-array system används på myom i föregående studie22. Vi har utfört tester utan fokala korrigering längs strålgång, och endast en liten del (~ 2 mm i längd) av lesionen hittades i skivad nötkreatur muskeln. Efter fokal korrigering utifrån den empiriska formel19, hittades lesionen (~ 5 mm i längd) i skivad nötkreatur muskeln, som har bekräftat förbättring i inriktning noggrannhet längs strålgång. Utvärdering av inriktning noggrannhet i fokalplanet är dessutom mer praktiskt värde i jämförelse med de metoder som syftar till en enda focal spot för solid tumör ablation är korrekta.
Valet av nötkreatur muskel gör lesionen klart kan särskiljas från omgivande vävnad jämfört med lesioner skapad i svin eller kyckling muskler av in vitro-HIFU ablation. Tillverkningen av nötkreatur muskel/markör-embedded transparent Fantomen är avgörande för hela protokollet att utvärdera systemets USgHIFU fasas-array inriktning noggrannhet. Fastställandet av huruvida centrerar av målet och den fyrkantiga modellen sammanfaller är dessutom viktiga i utvärderingsförfarandet för; Således, positionen av phantom behöver justeras. Vita intramuskulär septum i skivad nötkreatur muskeln gör tröskeln segmentering otillräckliga för att extrahera lesion gränsen från den skannade bilden; manuell segmentering bör därför användas vid behov.
Det finns fortfarande begränsningar för detta protokoll. Denna studie syftar för utvärdering av inriktning noggrannhet i fokalplanet bara, och det gäller USgHIFU fasas-array system. Dock för USgHIFU system med en egen fokuserad givare, bör steg 4.2-4.4 i protokollet revideras. Den amerikanska bilden i behandling planet kan rekonstrueras genom bilderna förvärvade genom att översätta amerikanska imaging sonden i stället för genom rotation, och de övriga stegen i protokollet förblir desamma. En noggrann utvärdering av inriktning noggrannhet kan vara till hjälp när man försöker minska säkerhetsmarginalen och öka ablationsvolymen, som skulle förbättra behandlingseffekt. Dessutom kan denna metod användas i kvalitetssäkring av den HIFU köra systemet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Xiang Ji är betalda konsult för Zhonghui medicinteknik (Shanghai) Co., Ltd. De andra författarna inte har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete har stötts i del av den nationella naturvetenskap Foundation i Kina (81402522), Shanghai nyckel teknik R & D Program (17441907400) från vetenskap och teknik kommissionen i Shanghai kommun och Shanghai Jiao Tong University Medicinsk teknik forskningsfond (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui medicinteknik (Shanghai) Co., Ltd. är också erkänt för att ge det USgHIFU systemet. Författarna tackar Wenzhen Zhu och Junhui Dong för phantom preparatet och deras hjälp i experimenten.
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).
