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Article de méthode

Évaluation de ciblage de précision dans le plan Focal pour une haute intensité guidée par échographie porté progressivement-tableau échographe

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DOI :

10.3791/59148

⸱

6 mars 2019

 ,  ,  , 
1Biomedical Instrument Institute, School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, 2Shanghai Med-X Engineering Center for Medical Equipment and Technology, Shanghai Jiao Tong University

Dans cet article

Résumé

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.

Résumé

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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Protocole

1. fabrication et conception de marqueur

  1. 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.
  2. Servir le matériel pour l’impression de résine photosensible d’acrylonitrile butadiène styrène.
  3. Envoyer le fichier de modèle 3D à un fabricant pour la fabrication.

2. fantôme préparation

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Verser le reste de la solution préparée dans l’étape 2.4 dans le support de fantôme et remuez pendant 5 s.
  8. 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.
  9. Retirer le gel de silice entre le plastique cylindrique et la plinthe acrylique, à l’aide d’un tournevis.
  10. Lentement, détacher la plinthe acrylique du plastique cylindrique.

3. configuration du système USgHIFU

  1. Démarrer le système de USgHIFU clinique.
  2. Activez le module de traitement de l’eau et régler la vitesse de circulation de l’eau à 80 coups/min.
  3. 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).
  4. Introduisez le fantôme porte dans l’eau dégazée et fixez le support étroitement.
  5. 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Reconstituer l’image des Etats-Unis dans le plan de traitement à la profondeur de champ géométrique.
  5. 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.
  6. Déplacer le réservoir d’eau selon les positions relatives entre la cible et les modèles carré et répéter étapes 4.4 et 4.5.
  7. 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

  1. 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).
  2. Définir la durée d’exposition pour les taches focales dans la cible.
    1. 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.
  3. Démarrez la sonication et mettre un pied sur la pédale pour la sonication HIFU.
  4. 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

  1. Chercher le titulaire fantôme et appuyez doucement sur le fantôme pour le sortir.
  2. Diviser le fantôme le long du plan de traitement à l’aide d’un couteau.
  3. Analyse du plan de traitement du fantôme qui contient le muscle de bovin en tranches.
  4. Traiter l’image numérisée à l’aide de logiciels mathématiques et extraire les limites de la cible et de la lésion.
  5. 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.
  6. 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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Résultats

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 ...

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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...

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Déclarations de divulgation

Xiang Ji est un consultant rémunéré pour la technique médicale de Zhonghui (Shanghai) Co., Ltd. Les autres auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
AcrylamideAmrescoD403-2
Plinthe en acryliqueLAO NIAO STORESréservoir
  ;LAO NIAO STORESpersonnalisé
Persulfate d’ammoniumYatai United Chemical Co., Ltd (Wuxi, Chine)2017-03-01
BécherEst Chine Réactif Chimique Instrument Magasin
Bis-acrylamideAmrescoM0172
Muscle bovinMarché
Planche à découperJIACHIJC-ZB40
Plastique cylindrique  ; support fantômeQIYINPAIpersonnalisé
Eau dégazée déminéraliséefabriquée par le système USgHIFU
réactifs chimiques de Chine orientale
N,N,N',N' &ndash ; TetramethylethylenediamineZhanyun Chemical Co., Ltd (Shanghai, China)
Gant en caoutchoucAMMEXYZB/MAL 0587-2018
ScannerFuji XeroxDocuPrint M268dw
TournevisStanleyT6
Gel de siliceGE381
Modèle carréQIYINPAIpersonnalisé
Cuillères en acier inoxydable Magasind’instruments de réactifs chimiques
Suckerréactifs chimiques de Chine orientale
Marchémuscle porcin
Système USgHIFUZhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd.SUA-I
d’eau cylindrique en acrylique personnaliséBalance électrique YINGHENG 11119453359 Tige de verre Couteau de magasin d’instruments de SHIBAZI SL1210-C Masque Medicom 2498 de Chine orientale Magasin d’instruments de de

Références

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Khokhlova, V. A., et al. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia. 87, 132-138 (2016).
  5. 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).
  6. McDannold, N., et al. Uterine leiomyomas: MR imaging-based thermometry and thermal dosimetry during focused ultrasound thermal ablation. Radiology. 240 (1), 263-272 (2006).
  7. Köhler, M. O., et al. Volumetric HIFU ablation under 3D guidance of rapid MRI thermometry. Medical Physics. 36 (8), 3521-3535 (2009).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Masamune, K., Kurima, I., Kuwana, K., Yamashita, H. HIFU positioning robot for less-invasive fetal treatment. Procedia CIRP. 5, 286-289 (2013).
  12. 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).
  13. Ellens, N. P. K., et al. The targeting accuracy of a preclinical MRI-guided focused ultrasound system. Medical Physics. 42 (1), 430-439 (2015).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Chauhan, S., ter Haar, G. FUSBOTUS: empirical studies using a surgical robotic system for urological applications. AIP Conference Proceedings. 911, 117-121 (2007).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).

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