Summary
本研究描述了一种评估超声引导高强度聚焦超声相控阵系统焦平面定位精度的方案。
Abstract
在现有的体外超声引导的 hifu (usghifu) 系统中, 相控阵被越来越多地用作高强度聚焦超声 (hifu) 传感器。此类系统中的 hifu 传感器通常呈球形, 中央孔安装在美国成像探头上, 可以旋转。处理平面上的图像可以通过在探头旋转过程中获得的图像序列进行重建。因此, 可以在重建图像上制定处理方案。为了评价这种系统的焦平面上的瞄准精度, 描述了一种使用牛肌肉和标记嵌入幻影的方法的协议。在幻象中, 正方形树脂模型角部的四个实心球作为重建图像的参考标记。目标应移动, 以便其中心和正方形模型的中心能够根据其在重建图像中的相对位置重合。厚度约为30毫米的猪肌肉被放置在幻影上方, 以模拟临床环境中的光束路径。超声后, 扫描幻影中的治疗平面, 并从扫描图像中提取相关病变的边界。通过测量目标中心和病变中心之间的距离, 以及三个导数参数, 可以评估目标精度。该方法不仅可以评估由多个焦点组成的目标的瞄准精度, 而不是在 usghfu 相控阵系统的临床相关光束路径中的单个焦点, 而且还可用于临床前评估或定期维护配备相控阵或自聚焦 hifu 传感器的 usghifu 系统。
Introduction
相控阵越来越多地在 hifu 系统中设计和装备1、2、3、4、5、6、7。在 usghifu 相控阵系统中, 美国成像探头通常安装在球面 hifu 传感器1,2,8的中心孔中。该探头可在三维空间9中旋转, 用于目标定位和图像重建。对于 hifu 治疗的安全性和有效性, 需要精确的定位。然而, 大多数评估目标精度的研究都是为磁共振导向的 hifu 系统或配置了自聚焦 hifu 传感器10,11的usghifu 系统进行的,12,13,14,15,16. 下文所述方法的目的是评价 usghfu 相控阵系统在焦平面上的瞄准精度。
在评价临床 usghfu 相控阵系统的靶向精度时, 采用了沿临床相关光束路径的牛马氏标记嵌入幻影。一个在角落有四个球的正方形模型被制造出来, 并与牛肌肉结合, 嵌入到透明的幻影中。根据在处理平面上重建的美国图像中识别的四个球的中心位置, 选择一个规则六边形作为目标。hifu 超声后, 对幻影的治疗平面进行扫描, 并在扫描图像中确定病变的边界以及四个球的位置。通过测量目标中心和病变中心之间的距离, 以及三个导数参数, 可以评估目标精度。
与基于单焦点的方法相比, 该方法比使用机器人运动与特定参考对象11、17、18 进行定位误差的测量更简单, 在临床上更相关点消融在一个均匀的幻影10。该方法可用于评价 usghifu 相控阵系统的瞄准精度。它还可用于其他配备自聚焦 hifu 传感器的 usghifu 系统。
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Protocol
1. 标记设计和制造
- 使用计算机辅助设计软件设计正方形模型。将每一侧设置为长度为40毫米、厚度为2毫米的木棍, 在正方形模型的每个角放置直径为10毫米的实心球。
- 以丙烯腈丁苯苯乙烯光敏树脂为原料进行印刷。
- 将3d 模型文件发送给制造商进行制造。
2. 幻影准备
- 用硅胶将塑料圆筒 (直径为8厘米, 高度为3厘米) 连接到丙烯酸底板上, 使其在室温下成为幻影支架。让它坐1小时。
- 将新鲜的牛肌肉切成正方形 (30 毫米 x 30 毫米, 厚度为10毫米), 通风 2小时, 以蒸发水分。
- 将脱气脱离子水 (115 毫升) 倒在烧杯中, 加入13克丙烯酰胺, 搅拌至溶解。加入0.24 克双丙烯酰胺, 搅拌至溶解。然后加入 n、n、n '、n '-四甲基乙二胺的 0.2 ml, 均匀搅拌。
注: 戴上口罩和橡胶手套。 - 在另一烧杯中加入0.3 克的过硫酸铵, 搅拌溶解。
注意: 丙烯酰胺、双丙烯酰胺、n、n、n '、n '-四甲基乙二胺和过硫酸铵是有毒的。密切关注, 避免身体接触。 - 连续将40% 的溶液从步骤2.3 和2.4 倒入幻影支架中, 搅拌5秒。让混合物坐20分钟才能凝固。
- 将3d 打印的正方形模型放置在固化幻影的表面, 并将切片的牛肌肉放在模型的中间。将步骤2.3 中的其余溶液放入幻影支架中。来回移动牛肌肉, 以消除幻影和切片界面之间的空气。
- 将第2.4 步准备的溶液的其余部分放入幻影支架中, 搅拌5秒。
- 沿着横向方向微调牛的切片肌肉的位置, 使其位于幻影的中心。让它坐20分钟来固化幻影。
- 使用螺丝刀拆卸圆柱形塑料和丙烯酸底板之间的硅胶。
- 慢慢地将丙烯酸底板从圆柱形塑料上拆下。
3. 美国 hifu 系统的设置
- 启动临床 usghifu 系统。
- 打开水处理模块, 将水循环速度设置为80转/分钟。
- 在室温 (22-25) 下, 用脱气水填充丙烯酸圆柱形水箱 (直径为30厘米, 高度为13厘米)。
- 将幻影支架放入脱气的水中, 并将支架固定在一起。
- 将圆柱形水箱移动到处理床上。提起处理床, 向下移动治疗单元进入脱气水中。
4. 美国引导的定位
- 慢慢上下移动治疗单元, 以确保治疗平面的深度位于美国图像中的牛肌肉切片和透明幻影的上界面。
- 将美国成像探头旋转至 0°, 并将圆柱形水箱移动, 使旋转轴 (也称为成像轴) 通过美国图像中两个平行棒的中间点。
- 将成像探头旋转到 90°, 并将圆柱形水箱移动, 使旋转轴通过美国图像中两个平行棒的中间点。
- 在几何焦点深度重建处理平面上的美国图像。
- 检查这四个球是否清楚地显示在重建后的美国图像中, 目标是否位于正方形模型的中心。
注: 目标的中心是在重建图像的中心预先确定的。球由直径为10毫米的圆决定, 其平均灰度值最高, 在15毫米 x 15 毫米见方。正方形模型的中心由重建图像中四个球的对角线决定。 - 根据目标和正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。
- 提起治疗单元, 并把猪肌肉的厚度约30毫米以上的幻影。然后, 向下移动治疗单位, 直到几何焦点的深度在切牛肌肉的上表面下3毫米。
注: 沿梁路径的3毫米焦点校正是根据猪肌肉的厚度根据经验公式从以前的研究19估计。
5. hifu 声纳
- 选择以下声音参数: 脉冲持续时间 (400 毫秒)、占空比 (80%)、声功率 (400 w) 和连续焦点 (30秒) 之间的冷却时间。
- 设置目标中焦点的曝光时间。
- 对三个同心正相六角形目标重复此过程, 其相关对角线分别为 5.4 mm、9毫米和 12.6 mm. 将位于内侧、中角和外六角的焦点分别的曝光时间设置为 2.0 s、2.5秒和 3.0 s, 以及对于 f c 的焦点曝光时间为 2.0 s 和 3.0 s相控阵几何中心处的点点。
- 开始超声, 并把一只脚在脚踏为 hifu 超声。
- 观察美国图像中回声的变化, 直到超声检查完成。
6. 评价 usghifu 相控阵系统的瞄准精度
- 拿起幻影持有人, 并顺利按幻影将其取出。
- 用刀沿着处理飞机拆分幻影。
- 扫描包含牛肌肉切片的幻影的治疗平面。
- 使用数学软件处理扫描图像, 提取目标和病变的边界。
- 计算目标边界 d b 的中心间距离d c 和最大超射。
注: dc 是目标中心与其各自病变之间的距离。db是病变边界与其各自目标之间的最大超远距离。 - 计算目标内外病变区与目标区的比例, 如 i = (s a s p )/ sp o = (sa a- sa s p)/ sp。
注: sp 表示目标区域, sa表示病变区域。
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Representative Results
我们制作了幻象, 专门用于评估具有三种不同尺寸目标的临床 usghfu 相控阵系统的定位精度。图 1以0°和90°的角度显示美国图像。界面清晰, 正方形模型的木棍在美国图像中很明亮。图 2显示了在处理平面上重建的美国图像和最大目标的焦点。四个球的中心是由大小相同、灰度值最高的蓝色圆圈决定的。图 3显示了幻影的处理平面的扫描图像以及提取的目标和病变的边界。
我们能够根据协议第6节定义的dc、 db、 i 和o的参数来评估焦平面上的瞄准精度。每个目标重复了三次实验。结果见表 1.
图 1: 美国图像的角度为0°和 90°.猪肌肉的厚度约为30毫米。可以区分沿光束路径的组织-幻影-组织界面。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: 在处理平面上重建美国的形象.蓝色圆圈 (红色虚线方块中的平均灰度值最高) 确定四个球的位置和正方形模型的中心, 这也是目标 (红点) 的中心。深棕色方块表示最大的正则六边形目标中的焦点。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: hifu 超声后扫描图像并提取不同目标的边界.(a) 从左到右对角线为5.4 毫米、9毫米和12.6 毫米的三个目标的病变。(b) 提取三个目标 (蓝色) 和相应病变 (黑色) 的边界。请点击这里查看此图的较大版本.
| 正六边形对角线 (毫米) | dc(毫米) | db(毫米) | 我... | 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% |
表 1: 评估目标准确性的参数摘要.将 dc、 db、 i 和o的值表示为均值±标准偏差。
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Discussion
机器人部件已被用于体外 usghifu 系统。为了评估这些系统的靶向精度,单独或联合使用了参考标记11、12、18、体外组织17、肿瘤模拟模型和温度敏感幻影10,20。与这些研究中的协议相比, 这种方法在临床上的相关性更高, 便于量化焦平面上的目标误差。通过将参考标记与异质性、透明的幻象相结合, 对该方法进行了修改, 以评估用于乳腺肿瘤消融21的 usghifu 系统的靶向精度。我们已经验证了这种方法的有效性与我们的 usghifu 相控阵系统用于子宫肌瘤在前面的研究22。我们已经进行了测试, 没有焦点校正沿梁路径, 只有一小部分 (约2毫米长) 的病变被发现在切片的牛肌肉。在经验公式19的情况下进行焦点校正后, 在牛的切片肌肉中发现病变 (长约5毫米), 证实了沿梁路径的靶向精度的提高。此外, 与针对固体肿瘤消融单个焦点精度的方法相比, 对焦平面上靶向精度的评价具有较高的实用价值。
牛肌肉的选择使病变与周围组织明显区分, 与猪或鸡肌肉体外 hifu 消融所产生的病变相比。牛的制造标记嵌入透明幻影对于评价 usghfu 相控阵系统瞄准精度的整个协议至关重要。此外, 在评价过程中, 确定目标中心与正方形模型是否重合至关重要;因此, 幻影的位置需要调整。牛肌肉切片中的白色肌肉间隔, 使得阈值分割不足以从扫描图像中提取病变边界;因此, 必要时应使用手动分段。
此协议仍有限制。本研究仅针对焦平面上的定位精度进行评价, 适用于 usghfu 相控阵系统。但是, 对于带有自聚焦传感器的 usghifu 系统, 应修订协议的步骤 4.2-4.4。处理平面上的美国图像可以通过翻译美国成像探头而不是旋转获得的图像来重建, 协议中的其他步骤保持不变。准确评价目标精度, 有助于降低安全裕度, 增加消融量, 提高治疗效果。此外, 该方法还可用于 hifu 驱动系统的质量保证。
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Disclosures
项基是中汇医疗科技 (上海) 有限公司的有偿顾问。其他作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了国家自然科学基金 (81402522)、上海市科技委员会 (17441907400)、上海交通大学上海关键技术研发项目 (17441907400) 和上海交通大学的部分支持。医疗工程研究基金 (yg2017qn40, YG2017QN40)。中汇医疗科技 (上海) 有限公司也因提供 usghifu 系统而被公认。作者感谢朱文珍和董俊辉对实验的准备和帮助。
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
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