Summary
Cette étude décrit un protocole pour évaluer la précision de ciblage dans le plan focal d’un système de barrettes progressivement guidée par échographie des ultrasons focalisés de haute intensité.
Abstract
Multi-éléments sont plus utilisés comme transducteurs d’ultrasons focalisés de haute intensité (UFHI) dans les systèmes existants sur les HIFU (USgHIFU) Extracorporels guidée par échographie. Les transducteurs HIFU dans de tels systèmes sont généralement sphériques en forme avec un trou central où une sonde d’imagerie US est montée et peut pivoter. L’image sur le plan de traitement peut être reconstituée par le biais de la séquence d’images acquise au cours de la rotation de la sonde. Par conséquent, le plan de traitement peut être fait sur les images reconstruites. Afin d’évaluer la précision de ciblage dans le plan focal de tels systèmes, le protocole d’une méthode à l’aide d’un bovin, le muscle et le fantôme de marqueur incorporé est décrite. Le fantôme, quatre balles solides aux coins d’un modèle carré résine servent les marqueurs de référence dans l’image reconstituée. La cible doit être déplacée afin que tant son centre et le centre du carré modèle peuvent coïncider selon leur position relative dans l’image reconstituée. Muscle de porc d’une épaisseur d’environ 30 mm est placé au-dessus du fantôme pour imiter la marche des rayons en milieu clinique. Après la sonication, le plan de traitement dans le fantôme est scanné et la limite de la lésion associée est extraite de l’image numérisée. La précision de ciblage peut être évaluée en mesurant la distance entre les centres des cibles et de la lésion, ainsi que trois paramètres dérivés. Cette méthode ne peut pas seulement évaluer la précision de ciblage de l’objectif consistant en plusieurs taches focales plutôt qu’un seul foyer dans un faisceau cliniquement pertinentes du système progressive-tableau USgHIFU, mais il peut être également utilisé dans l’évaluation préclinique ou entretien régulier des systèmes USgHIFU configuré avec sonde HIFU progressive-tableau ou autocentrée.
Introduction
Les multiéléments est plus conçu et équipé l’HIFU systèmes1,2,3,4,5,6,7. Dans les systèmes de USgHIFU de barrettes progressivement, une sonde d’imagerie US est généralement fixée dans le trou central de l’HIFU sphérique transducteur1,2,8. La sonde est rotative pour la reconstruction de ciblage et de l’image dans l' espace à trois dimensions9. Ciblage précis est nécessaire pour la sécurité et l’efficacité du traitement par HIFU. Cependant, la plupart des études d’évaluation de ciblage de précision ont été effectuée pour la résonance magnétique des systèmes de HIFU ou USgHIFU configuré avec un autocentrées HIFU transducteur10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. l’objectif de la méthode décrite ci-dessous est d’évaluer la précision de ciblage dans le plan focal pour systèmes multiéléments USgHIFU.
Un fantôme de muscle/marqueur-embedded bovin sur le chemin du faisceau cliniquement pertinente est utilisé dans l’évaluation de la précision de ciblage d’un système de phases-tableau clinique USgHIFU. Un modèle carré avec quatre balles dans les coins est fabriqué et intégré, en combinaison avec le muscle de bovin, dans le fantôme transparent. Un hexagone régulier est sélectionné comme cible basée sur les positions des centres de quatre balles dans l’image US reconstituée sur le plan de traitement. Après sonications HIFU, le plan de traitement du fantôme est scanné, et la limite de la lésion, ainsi que les positions des quatre balles, peuvent être déterminées dans l’image numérisée. La précision de ciblage peut être évaluée en mesurant la distance entre les centres des cibles et de la lésion, ainsi que trois paramètres dérivés.
La méthode est plus simple que la mesure de l’erreur de ciblage à l’aide de mouvements robotiques avec une référence spécifique objet11,17,18 et plus cliniquement pertinente par rapport à la méthode basée sur simple focale Spot ablation dans un fantôme homogène10. Cette méthode peut être utilisée dans l’évaluation de la précision de ciblage des systèmes multiéléments USgHIFU. Il peut être également utilisé pour d’autres systèmes de USgHIFU équipés de transducteurs HIFU autocentrées.
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Protocol
1. fabrication et conception de marqueur
- Concevoir un modèle carré à l’aide de logiciels de conception assistée par ordinateur. Définissez chaque côté comme des bâtons avec des longueurs de 40 mm et une épaisseur de 2 mm. Place une boule solide d’un diamètre de 10 mm à chaque angle du modèle carré.
- Servir le matériel pour l’impression de résine photosensible d’acrylonitrile butadiène styrène.
- Envoyer le fichier de modèle 3D à un fabricant pour la fabrication.
2. fantôme préparation
- Fixer une bouteille en plastique (diamètre 8 cm) et une hauteur de 3 cm sur une plinthe acrylique avec gel de silice pour faire un fantôme porte à température ambiante. Laisser reposer pendant 1 h.
- Coupez le muscle de bovin frais en forme carrée (30 mm x 30 mm, d’une épaisseur de 10 mm) et aérer pendant 2 h évaporer l’humidité.
- Versez de l’eau dégazée et désionisée (115 mL) dans un bécher, ajoute en 13 g d’acrylamide et remuer jusqu'à dissolution. Ajouter 0,24 g de bis-acrylamide et remuer jusqu'à dissolution. Puis, ajouter 0,2 mL de N, N, N', N'-tétraméthyléthylènediamine et mélanger uniformément.
Remarque : Mettre un gants de caoutchouc et masque. - Préparer 5 mL d’eau dégazée et désionisée dans un autre bol, ajoutez 0,3 g de persulfate d’ammonium et mélanger pour dissoudre.
Attention : L’Acrylamide, bis-acrylamide, N, N, N', N'-tétraméthyléthylènediamine et le persulfate d’ammonium sont toxiques. Une attention particulière et éviter tout contact physique. - Successivement verser 40 % des solutions de mesures 2.3 et 2.4 dans le support de fantôme et remuez pendant 5 s. Laisser le mélange reposer pendant 20 min à se solidifier.
- Placer le modèle carré 3D-imprimé sur la surface du fantôme solidifiée et mettre le muscle de bovin en tranches dans le milieu du modèle. Verser le reste de la solution de l’étape 2.3 dans le porte-fantôme. Déplacez le muscle de bovin en arrière pour enlever l’air entre l’interface du fantôme et la tranche.
- Verser le reste de la solution préparée dans l’étape 2.4 dans le support de fantôme et remuez pendant 5 s.
- Ajustez l’emplacement du muscle bovin en tranches vers le centre du fantôme dans la direction transversale. Laisser reposer pendant 20 min solidifier le fantôme.
- Retirer le gel de silice entre le plastique cylindrique et la plinthe acrylique, à l’aide d’un tournevis.
- Lentement, détacher la plinthe acrylique du plastique cylindrique.
3. configuration du système USgHIFU
- Démarrer le système de USgHIFU clinique.
- Activez le module de traitement de l’eau et régler la vitesse de circulation de l’eau à 80 coups/min.
- Remplissez un réservoir cylindrique acrylique avec (d’un diamètre de 30 cm) et une hauteur de 13 cm d’eau dégazée à température ambiante (22-25 ° C).
- Introduisez le fantôme porte dans l’eau dégazée et fixez le support étroitement.
- Déplacer le réservoir cylindrique sur le lit de traitement. Soulevez le lit traitement et déplacer vers le bas de l’unité thérapeutique dans l’eau dégazée.
4. U.S. guidée ciblant
- Déplacer l’unité thérapeutique lentement et vers le bas pour s’assurer que la profondeur de l’avion de traitement se trouve à l’interface supérieure du muscle de bovin en tranches et fantôme transparent à l’image des Etats-Unis.
- Faire pivoter la sonde d’imagerie US à 0° et déplacer le réservoir cylindrique pour rendre l’axe de rotation (également dénommé axe imagerie) passe par le point moyen des deux bâtons parallèles à l’image des Etats-Unis.
- Faire pivoter la sonde d’imagerie à 90° et déplacer le réservoir cylindrique pour rendre l’axe de rotation passe par le point moyen des deux bâtons parallèles à l’image des Etats-Unis.
- Reconstituer l’image des Etats-Unis dans le plan de traitement à la profondeur de champ géométrique.
- Vérifier si les quatre boules sont clairement indiqués dans l’image reconstituée d’US et si la cible se trouve au centre du modèle carré.
Remarque : Le centre de la cible est prédéterminé au centre de l’image reconstruite. La balle est déterminée par un cercle d’un diamètre de 10 mm, la valeur de gris moyenne qui est le plus élevée dans un 15 x 15 mm carré. Le centre du carré modèle est déterminé par la diagonale des quatre balles dans l’image reconstituée. - Déplacer le réservoir d’eau selon les positions relatives entre la cible et les modèles carré et répéter étapes 4.4 et 4.5.
- Soulevez l’unité thérapeutique et mettre le muscle de porc d’une épaisseur d’environ 30 mm au dessus du fantôme. Ensuite, abaissez l’unité thérapeutique jusqu'à ce que la profondeur de champ géométrique est de 3 mm sous la surface supérieure du muscle bovin en tranches.
NOTE : La correction focale 3 mm le long de la marche des rayons est estimée selon l’épaisseur du muscle porcine basé sur la formule empirique d’une précédente étude19.
5. la sonication HIFU
- Sélectionnez les paramètres de sonication suivants : durée de l’impulsion (400 ms), cycle d’utilisation (80 %), acoustique (400 W) de puissance et refroidissement de temps entre la sonication de taches focales successifs (30 s).
- Définir la durée d’exposition pour les taches focales dans la cible.
- Répétez l’opération pour les trois cibles concentriques de hexagonales réguliers avec des diagonales respectives de 5,4 mm, 9 mm et 12,6 mm temps d’exposition Set de 2.0 s, 2.5 s et 3.0 s pour les taches focales situées respectivement à l’hexagone interne, intermédiaire et externe et 2.0 s pour la foc Al spot au centre géométrique de la multiéléments.
- Démarrez la sonication et mettre un pied sur la pédale pour la sonication HIFU.
- Observer le changement d’échogénicité dans l’image des Etats-Unis jusqu'à ce que les sonications sont terminées.
6. évaluation de la précision de ciblage du système progressive-tableau USgHIFU
- Chercher le titulaire fantôme et appuyez doucement sur le fantôme pour le sortir.
- Diviser le fantôme le long du plan de traitement à l’aide d’un couteau.
- Analyse du plan de traitement du fantôme qui contient le muscle de bovin en tranches.
- Traiter l’image numérisée à l’aide de logiciels mathématiques et extraire les limites de la cible et de la lésion.
- Calculer la distance intercenter dc et la maximale de dépassement de la cible limite db.
Remarque : dc est la distance entre les centres de la cible et sa lésion respectif. d b est le maximum de dépassement de distance entre la limite de la lésion et ses cibles respectifs. - Calculer le rapport entre les domaines de la lésion à l’intérieur et à l’extérieur de la cible vers la zone cible que ηj’ai = (SA ∩ SP) / SP et ηO = (SA - SA ∩ SP) / SP, respectivement.
Remarque : SP indique la zone cible, SA représente la zone de la lésion.
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Representative Results
Nous avons fait fantômes dédié à l’évaluation de la précision de ciblage d’un système de phases-tableau clinique USgHIFU avec les cibles de trois tailles différentes. Figure 1 affiche l’image des Etats-Unis à des angles de 0 ° et 90 °. Les interfaces sont claires et les bâtons du modèle carré sont lumineux dans les images américaines. La figure 2 illustre l’image reconstituée d’US dans le plan de traitement et les taches focales de l’objectif de plus grande. Les centres des quatre balles ont été déterminées par les cercles bleus de la même taille avec la valeur de gris en moyenne plus élevée. La figure 3 montre les images numérisées du plan de traitement du fantôme et les frontières extraites des cibles et des lésions.
Nous avons été en mesure d’évaluer la précision de ciblage dans le plan focal selon les paramètres de d,c, d,b, ηje, et ηO définis à l’article 6 du protocole. Les expériences ont été répétés trois fois pour chaque cible. Les résultats sont présentés en Table 1.
Figure 1 : Images des Américains à des angles de 0° et 90°. L’épaisseur du muscle porcine était autour de 30 mm. On peuvent distinguer les interfaces phantom-tissu le long de la marche des rayons. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Reconstruit l’image des Etats-Unis dans le plan de traitement. Les cercles bleus (avec la valeur la plus élevée moyenne grise en carrés rouge discontinue) déterminent les positions des quatre balles et le centre du modèle carré, qui est également le centre des cibles (le point rouge). Les carrés bruns foncés indiquent les taches focales dans la plus grande cible hexagonale régulier. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Les images numérisées et extrait les limites des différentes cibles après sonication HIFU. (A) les lésions des trois cibles avec des diagonales de 5,4 mm, 9 mm et 12,6 mm de gauche à droite. (B) extrait des frontières des trois objectifs (bleus) ainsi que les lésions correspondantes (noir). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
| Diagonale de l’hexagone régulier (mm) | d c (mm) | d b (mm) | Η J’ai | 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 % |
Tableau 1 : résumé des paramètres pour évaluer la précision du ciblage. Les valeurs de d,c, d,b, ηj’et ηO ont été exprimées en moyenne ± écart-type.
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Discussion
Les composants robotiques ont été utilisés pour USgHIFU extra-corporels. Pour évaluer la précision de ciblage de tels systèmes, référence marqueurs11,12,18, tissus in vitro17, modèles de tumeur-mimic et thermosensibles fantômes ont été utilisés seuls ou en association 10,,20. En comparaison avec les protocoles de ces études, cette méthode est plus cliniquement pertinente et il est facile de quantifier l’erreur de ciblage dans le plan focal. En combinant le marqueur de référence avec le fantôme hétérogène, transparent, cette méthode a été modifiée d’une autre étude pour évaluer la précision de ciblage d’un système de USgHIFU visant à sein tumeur ablation21. Nous avons vérifié l’efficacité de cette méthode avec notre système de phases-tableau USgHIFU utilisé sur les fibromes utérins dans la précédente étude22. Nous avons réalisé des tests sans correction focale sur le chemin du faisceau, et seulement une petite partie (environ 2 mm de longueur) de la lésion a été trouvée dans le muscle de bovin en tranches. Après la correction focale basée sur la formule empirique19, la lésion (~ 5 mm de long) a été trouvée dans le muscle de bovin en tranches, qui a confirmé l’amélioration dans la précision de ciblage sur le chemin du faisceau. En outre, l’évaluation de la précision dans le plan focal de ciblage est une valeur plus pratique en comparaison avec les méthodes visant à l’exactitude d’un seul point focal pour l’ablation d’une tumeur solide.
La sélection du muscle de bovin rend la lésion se distingue nettement des tissus environnants par rapport aux lésions créées dans les muscles de porcs ou de volaille par ablation de HIFU in vitro. La fabrication du fantôme transparent bovine muscle/marqueur-intégrée est essentielle pour tout protocole d’évaluation de la précision de ciblage du système progressive-tableau USgHIFU. En outre, la détermination de la question de savoir si les centres de la cible et le modèle carré coïncident est essentielle dans la procédure d’évaluation ; ainsi, la position de la fantôme doit être ajustée. Le septum blanc par voie intramusculaire dans le muscle de bovin en tranches rend la segmentation de seuil insuffisante pour extraire la limite de la lésion de l’image numérisée ; Donc, segmentation manuelle doit être utilisée lorsque cela est nécessaire.
Il y a toujours des limites au présent protocole. Cette étude a pour objectif d’évaluation de ciblage de précision dans le plan focal seulement, et elle s’applique aux systèmes progressive-tableau USgHIFU. Toutefois, pour les systèmes de USgHIFU avec un transducteur autocentrée, étapes 4.2-4.4 du protocole devraient être révisées. L’image des Etats-Unis dans le plan de traitement peut être reconstruit à travers les images acquises en traduisant la sonde d’imagerie US au lieu de par la rotation, et les autres étapes dans le protocole restent le même. L’évaluation précise du ciblage de précision peut être utile lorsque vous essayez de réduire la marge de sécurité et augmenter le volume de l’ablation, qui permettrait d’améliorer l’efficacité du traitement. En outre, cette méthode peut être utilisée dans l’assurance de la qualité de l’HIFU système d’entraînement.
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Disclosures
Xiang Ji est un consultant rémunéré pour la technique médicale de Zhonghui (Shanghai) Co., Ltd. Les autres auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu en partie par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (81402522), le Shanghai Key Technology R & D Program (17441907400) de la Science and Technology Commission de la municipalité de Shanghai et l’Université Jiao Tong de Shanghai Fonds de recherche de l’ingénierie médicale (YG2017QN40, YG2015ZD10). Technologie médicale de Zhonghui (Shanghai) Co., Ltd. est également reconnu pour fournir le système de USgHIFU. Les auteurs remercient Wenzhen Zhu et Junhui Dong pour la préparation de fantôme et de leur assistance dans les expériences.
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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