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Engineering

Bewertung der Targeting-Genauigkeit in der Brennebene für eine Ultraschall-geführte hochintensivem konzentriert Ultraschall Phased-Array-System

Published: March 6, 2019 doi: 10.3791/59148

Summary

Diese Studie beschreibt ein Protokoll, um die targeting-Genauigkeit in der Brennebene eines Ultraschall-geführte hochintensiven fokussierten Ultraschall phased Array Systems zu bewerten.

Abstract

Phased-Arrays werden zunehmend als hochintensiven fokussierten Ultraschall (HIFU) Wandler in den bestehenden extrakorporalen Ultraschall-geführte HIFU (USgHIFU) Systemen eingesetzt. Die HIFU-Wandler in solchen Systemen sind in der Regel kugelförmig mit einem zentralen Loch, wo eine US-Image-Sonde ist montiert und kann gedreht werden. Das Bild auf der Ebene der Behandlung kann durch die Bildsequenz erworben während der Rotation der Sonde rekonstruiert werden. Daher kann der Behandlungsplan auf die rekonstruierten Bilder erfolgen. Für die Beurteilung der targeting-Genauigkeit in der Brennebene solcher Systeme, das Protokoll einer Methode ein Rind mit wird Muskel- und Marker eingebettet Phantom beschrieben. Im Phantom dienen vier feste Kugeln an den Ecken eines quadratischen Harz-Modells als Verweissymbole in das rekonstruierte Bild. Das Ziel sollte verschoben werden, so dass das Zentrum und die Mitte des quadratischen Modells entsprechend ihrer relativen Positionen in das rekonstruierte Bild übereinstimmen können. Schweine-Muskel mit einer Dicke von ca. 30 mm wird über das Phantom zu imitieren den Strahlengang im klinischen Umfeld platziert. Nach Beschallung die Behandlung Flugzeug im Phantom wird gescannt und die Begrenzung der damit verbundenen Läsion ist das gescannte Bild entnommen. Die targeting-Genauigkeit kann durch Messen des Abstands zwischen den Zentren der Ziel- und Läsion sowie drei abgeleitete Parameter ausgewertet werden. Diese Methode kann nicht nur die targeting-Genauigkeit des Ziels bestehend aus mehrere Schwerpunkte stellen, anstatt eine einzelne Brennfleck in eine klinisch relevante Strahlengang des USgHIFU-phased-Array-System bewerten, aber es kann auch verwendet werden, in die präklinische Evaluierung oder regelmäßige Wartung der USgHIFU Systeme mit phased Array oder selbst konzentriert HIFU-Wandler konfiguriert.

Introduction

Die Phased-Array ist zunehmend entworfen und HIFU Systeme1,2,3,4,5,6,7ausgestattet. In USgHIFU-phased-Array-Systemen ist eine US-Image-Sonde in der Regel in der Mittelbohrung des sphärischen HIFU Wandler1,2,8montiert. Die Sonde ist drehbar für targeting und Bild Wiederaufbau im dreidimensionalen Raum9. Präzise Ausrichtung ist für die Sicherheit und Wirksamkeit von HIFU-Behandlung erforderlich. Jedoch wurden die meisten Studien zur Bewertung der Genauigkeit targeting für Magnet-Resonanz-geführte HIFU oder USgHIFU Systeme konfiguriert mit einem selbst konzentriert HIFU Wandler10,11, durchgeführt 12 , 13 , 14 , 15 , 16. der unten beschriebenen Methode soll die targeting-Genauigkeit in der Brennebene für USgHIFU-Phased-Array-Systeme zu bewerten.

Eine bovine Muskel/Marker-embedded Phantom entlang der klinisch relevanten Strahlengang wird bei der Bewertung der targeting-Genauigkeit von einer klinischen USgHIFU phased-Array-System verwendet. Eine quadratische Modell mit vier Kugeln an den Ecken ist hergestellt und in Kombination mit bovinen Muskel, in den transparenten Phantom eingebettet. Einem regelmäßigen Sechseck ist als das Ziel, basierend auf den Positionen der Zentren der vier Kugeln in das rekonstruierte US-Bild auf der Ebene der Behandlung identifiziert ausgewählt. Nach HIFU Sonications Behandlung Flugzeug des Phantoms gescannt, und die Grenze der Läsion sowie die Positionen der vier Kugeln im gescannten Bild ermittelt werden. Die targeting-Genauigkeit kann durch Messen des Abstands zwischen den Zentren der Ziel- und Läsion sowie drei abgeleitete Parameter ausgewertet werden.

Die Methode ist einfacher als die Messung des targeting Fehlers mit Roboter-Bewegung mit einer bestimmten Referenz Objekt11,17,18 und mehr klinisch relevante im Vergleich zu der Methode basierend auf einzelne Schwerpunkte vor Ort Ablation in einer homogenen phantom10. Diese Methode kann bei der Bewertung der targeting-Genauigkeit von USgHIFU Phased-Array-Systemen verwendet werden. Es kann auch für andere USgHIFU-Systeme ausgestattet mit selbst konzentriert HIFU-Wandler verwendet werden.

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Protocol

(1) Marker Konstruktion und Fertigung

  1. Entwerfen Sie eine quadratische Modell mit CAD-Software. Jede Seite als sticks mit Längen von 40 mm und dicken von 2 mm. Platz eine feste Kugel mit einem Durchmesser von 10 mm an jeder Ecke des quadratischen Modells eingestellt.
  2. Verwenden Sie Acrylnitril-Butadien-Styrol-lichtempfindliche Harz als das Material für den Druck.
  3. Senden Sie die 3D Modelldatei an einen Hersteller für die Fertigung.

(2) Phantom Vorbereitung

  1. Befestigen Sie einen Kunststoff-Zylinder (Durchmesser 8 cm) mit einer Höhe von 3 cm ein Acryl Fußleiste mit Silica-Gel bei Raumtemperatur zu einem phantom Halter. Lassen Sie es für 1 h.
  2. Schneiden Sie frische bovine Muskel in eine quadratische Form (30 mm x 30 mm, mit einer Dicke von 10 mm) und lüften sie für 2 h Feuchtigkeit verdunsten.
  3. Gießen Sie entgast und deionisiertes Wasser (115 mL) in ein Becherglas, in 13 g Acrylamid fügen Sie hinzu und rühren Sie, bis aufgelöst. 0,24 g von biz-Acrylamid zugeben und rühren Sie, bis aufgelöst. Fügen Sie 0,2 mL N, N, N', N'-Tetramethylethylenediamine und gleichmäßig rühren.
    Hinweis: Setzen Sie auf eine Maske und Gummihandschuhe.
  4. Bereiten Sie 5 mL entgast und deionisiertes Wasser in ein weiteres Becherglas vor, geben Sie 0,3 g Ammonium bleichen hinzu und rühren Sie, sich aufzulösen.
    Achtung: Acrylamid, BIZ-Acrylamid, N, N, N', N'-Tetramethylethylenediamine und Ammonium bleichen sind giftig. Aufmerksamkeit schenken, und vermeiden Sie Körperkontakt.
  5. Sukzessive 40 % der Lösungen von Treppe 2.3 und 2.4 in den phantom Halter, und rühren, für 5 s. Lassen Sie die Mischung für 20 min zu verfestigen sitzen.
  6. Das 3D-gedruckten quadratische Modell auf der Oberfläche des erstarrten Phantom, legen Sie und den in Scheiben geschnittenen bovinen Muskel in der Mitte des Modells. Gießen Sie den Rest der Lösung aus Schritt 2.3 in den phantom Halter. Bewegen Sie die bovinen Muskel hin und her, um die Luft zwischen der Oberfläche des Phantoms und die Scheibe zu entfernen.
  7. Gießen Sie der Rest der Lösung vorbereitet das phantom Halter 2.4 betreten und rühren für 5 s.
  8. Optimieren Sie die Position des geschnittenen bovine Muskels in die Mitte des Phantoms in der transversalen Richtung. Lassen Sie es 20 Minuten, das Phantom zu festigen.
  9. Entfernen Sie die Silica-Gel zwischen den zylindrischen Kunststoff und Acryl Fußleiste, mit Hilfe eines Schraubenziehers.
  10. Lösen Sie langsam die Acryl Fußleiste aus dem zylindrischen Kunststoff.

3. Aufbau des USgHIFU Systems

  1. Starten Sie das klinische USgHIFU System.
  2. Schalten Sie das Wasser-Processing-Modul, und stellen Sie die Geschwindigkeit der Zirkulation des Wassers bei 80 Schuss/min.
  3. Füllen Sie eine Acryl zylindrische Wassertank mit (Durchmesser 30 cm) und einer Höhe von 13 cm mit entgastem Wasser bei Raumtemperatur (22-25 ° C).
  4. Die phantom Platzhalter in entgastem Wasser und befestigen Sie die Halterung fest.
  5. Bewegen Sie den zylindrischen Tank auf der Behandlungsliege. Heben Sie die Behandlungsliege und bewegen Sie die therapeutische Einheit in entgastem Wasser.

(4) U.S.-geführte targeting

  1. Bewegen Sie das therapeutische Gerät langsam und nach unten Sie, um sicherzustellen, dass die Tiefe der Behandlung Ebene an der oberen Grenzfläche des geschnittenen bovine Muskel und transparente Phantom in das US-Bild befindet.
  2. Drehen Sie die US-Image Sonde auf 0° und verschieben Sie den zylindrischen Wassertank die Drehachse (auch bezeichnet als bildgebende Achse) durchlaufen, der mittlere Punkt der zwei parallelen Sticks in das US-Bild zu machen.
  3. Drehen Sie die bildgebende Sonde um 90° und verschieben Sie den zylindrischen Wassertank zu der Drehachse durch den mittleren Punkt von zwei parallelen Stöcken in das US-Bild verläuft.
  4. Das US-Bild in der Ebene der Behandlung auf die geometrische Schärfentiefe zu rekonstruieren.
  5. Überprüfen Sie, ob die vier Kugeln sind deutlich in der rekonstruierten US-Bild und ob das Ziel in der Mitte des quadratischen Modells befindet.
    Hinweis: Die Mitte des Ziels ist in der Mitte des rekonstruierten Bildes vorgegeben. Der Ball wird durch einen Kreis mit einem Durchmesser von 10 mm bestimmt durchschnittlichen Grauwert von denen in einem 15 x 15 mm Quadrat am höchsten ist. Der Mitte des quadratischen Modells richtet sich nach der Diagonalen der vier Kugeln in das rekonstruierte Bild.
  6. Bewegen Sie den Wassertank nach den relativen Positionen zwischen dem Ziel und der quadratische Modell, und wiederholen Sie Schritte 4.4 und 4.5.
  7. Heben Sie das therapeutische Gerät und setzen Sie die Schweinegrippe Muskel mit einer Dicke von ca. 30 mm über das Phantom. Dann bewegen Sie die therapeutische Einheit geometrische Schärfentiefe 3 mm unter der oberen Oberfläche des geschnittenen bovine Muskels.
    Hinweis: Die 3 mm Brennweite Korrektur entlang der Strahlengang ist abhängig von der Dicke des Schweine-Muskels basierend auf die empirische Formel aus einer früheren Studie19geschätzt.

5. HIFU Beschallung

  1. Wählen Sie die folgenden Parameter Beschallung: Impulsdauer (400 ms), Einschaltdauer (80 %), akustische Leistung (400 W) und Abkühlzeit zwischen die Beschallung der aufeinander folgenden fokalen Spots (30 s).
  2. Legen Sie die Belichtungszeit für die fokale Spots im Ziel.
    1. Wiederholen Sie den Vorgang für drei konzentrischen regelmäßigen sechseckigen Ziele mit entsprechenden Diagonalen von 5,4 mm, 9 mm und 12,6 mm. Set Belichtungszeiten von 2.0 s, 2,5 s und 3.0 s für die fokalen Flecken befindet sich in der inneren, mittleren und äußeren Sechsecks, bzw. und 2.0 s für das BAK Al in der geometrischen Mitte des Phased-Array vor Ort.
  3. Starten Sie die Anwendung von Ultraschall und setzte einen Fuß auf das Pedal für HIFU-Beschallung.
  4. Beobachten Sie die Veränderung der Echogenicity im US-Bild, bis die Sonications abgeschlossen sind.

6. Beurteilung der targeting-Genauigkeit der USgHIFU-phased-Array-system

  1. Holen Sie phantom Halter zu, und drücken Sie sanft das Phantom, es zu nehmen.
  2. Teilen Sie das Phantom entlang der Behandlung-Ebene mit einem Messer.
  3. Scannen Sie die Behandlung Flugzeug des Phantoms, die in Scheiben geschnittenen bovinen Muskel enthält.
  4. Das gescannte Bild mithilfe mathematischen Software zu verarbeiten und die Grenzen des Ziels und Läsion zu extrahieren.
  5. Intercenter Distanz dc und die maximale Überschreitung der Ziel Grenze dbzu berechnen.
    Hinweis: dc ist der Abstand zwischen den Zentren des Ziels und ihrer jeweiligen Läsion. d b ist die maximale Überschreitung Abstand zwischen der Begrenzung der Läsion und ihrem jeweiligen Ziel.
  6. Berechnen Sie das Verhältnis der Bereiche der Läsion innerhalb und außerhalb des Ziels in den Zielbereich als ηich = (SA SP) / SP und ηO = (SA - SA SP) / SP, beziehungsweise.
    Hinweis: SP zeigt den Zielbereich, SA Läsion Bereich darstellt.

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Representative Results

Wir haben Phantome gewidmet bewerten die targeting-Genauigkeit eines klinischen USgHIFU phased Array Systems mit den Zielen von drei verschiedenen Größen. Abbildung 1 zeigt das US-Bild in einem Winkel von 0 ° und 90°. Die Schnittstellen sind klar, und die Stöcke des quadratischen Modells sind hell in den US-Bildern. Abbildung 2 zeigt die rekonstruierte US-Bild in der Behandlung-Ebene und den fokalen Plätzen das größte Ziel. Die Zentren der vier Kugeln wurden durch die blauen Kreise gleicher Größe mit dem höchsten gemittelten grauen Wert ermittelt. Abbildung 3 zeigt die gescannten Bilder Behandlung des Phantoms und die extrahierten Grenzen der Zielvorgaben und Läsionen.

Wir waren in der Lage, die targeting-Genauigkeit in der Brennebene nach den Parametern von dc, db, ηichbewerten und ηO definiert in Abschnitt 6 des Protokolls. Die Experimente wurden für jedes Ziel dreimal wiederholt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1.

Figure 1
Abbildung 1 : US-Bilder in einem Winkel von 0° und 90°. Die Dicke des Muskels Schweinegrippe war ca. 30 mm. Die Gewebe-Phantom-Gewebe-Schnittstellen entlang der Strahlengang können unterschieden werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 : US-Bild in der Behandlung Ebene rekonstruiert. Die blauen Kreise (mit dem höchsten durchschnittlichen grau Wert in rot-gestrichelte Quadrate) bestimmen Sie die Positionen der vier Kugeln und der Mitte des quadratischen Modells, die auch das Zentrum der Ziele (der rote Punkt) ist. Die dunkle braune Quadrate zeigen die fokale Spots im größten regelmäßigen sechseckigen Ziel. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3 : Gescannte Bilder und Grenzen der verschiedenen Ziele nach HIFU Beschallung extrahiert. (A) Läsionen der drei Ziele mit Diagonalen von 5,4 mm, 9 mm und 12,6 mm von links nach rechts. (B) extrahiert die drei Ziele (blau) und die entsprechenden Läsionen (schwarz) hinweg. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Diagonale von regelmäßigen Sechseck (mm) d c (mm) d b (mm) Η Ich 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 %

Tabelle 1: Zusammenfassung der Parameter, die targeting-Genauigkeit zu bewerten. Die Werte von dc, db, ηichund ηO wurden als Mittelwert ± Standardabweichung ausgedrückt.

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Discussion

Roboter-Komponenten wurden für extrakorporale USgHIFU Systeme verwendet. Um die targeting-Genauigkeit solcher Systeme, Referenz Marker11,12,18, bewerten haben in-vitro-Gewebe17, Tumor-Mimic-Modelle und temperaturempfindliche Phantome allein oder in Kombination verwendet worden 10,20. Verglichen mit den Protokollen in diesen Studien, diese Methode ist klinisch relevant und macht es leicht, die auf Fehler in der Brennebene zu quantifizieren. Durch die Kombination des Referenz-Markers mit dem heterogenen, transparente Phantom, wurde diese Methode von einer anderen Studie zur Beurteilung der targeting-Genauigkeit eines USgHIFU-Systems zur Brust Tumor Ablation21geändert. Die Wirksamkeit dieser Methode haben wir mit unserem USgHIFU-phased-Array-System verwendet auf Myome in der früheren Studie22überprüft. Wir haben Tests ohne fokale Korrektur entlang den Strahlengang durchgeführt, und nur ein kleiner Teil (~ 2 mm in der Länge) der Läsion wurde in den in Scheiben geschnittenen bovine Muskel gefunden. Nach der fokalen Korrektur anhand der Summenformel19fand die Läsion (~ 5 mm in der Länge) in den in Scheiben geschnittenen bovine Muskel, die Verbesserung in der targeting-Genauigkeit entlang den Strahlengang bestätigt hat. Darüber hinaus ist die Bewertung der Genauigkeit in der Brennebene targeting mehr praktischen Wert im Vergleich zu den Methoden, die darauf abzielen, die Genauigkeit der einzelnen Brennfleck für solide Tumor Ablation.

Die Auswahl an bovine Muskel macht die Läsion deutlich zu unterscheiden von dem umgebenden Gewebe im Vergleich zu Läsionen, Schwein oder Huhn Muskeln von in-vitro-HIFU-Ablation gegründet. Das Making of der bovinen Muskel/Marker-embedded transparenten Phantoms ist von entscheidender Bedeutung für das gesamte Protokoll der targeting-Genauigkeit des USgHIFU phased Array Systems zu bewerten. Darüber hinaus ist die Bestimmung der ob die Zentren des Ziels und des quadratischen Modells zusammenfallen in das Bewertungsverfahren unerlässlich; Also, die Position der phantom muss angepasst werden. Das weiße intramuskuläre Septum im geschnittenen bovine Muskel macht die Schwelle Segmentierung nicht ausreicht, um die Läsion Grenze aus dem gescannten Bild zu extrahieren; Daher sollten manuelle Segmentierung bei Bedarf verwendet werden.

Es gibt immer noch Beschränkungen in Bezug auf dieses Protokoll. Ziel dieser Studie ist für die Bewertung der Genauigkeit in der Brennebene nur gezielt, und es ist USgHIFU phased Array Systemen anwendbar. Für USgHIFU Systeme mit einem selbst konzentriert, sollte jedoch Schritte 4.2-4.4 des Protokolls überarbeitet werden. Das US-Bild in der Ebene der Behandlung durch die Bilder erworben durch die Übersetzung der US-imaging Sonde statt durch Rotation rekonstruiert werden kann, und die weiteren Schritte im Protokoll bleiben gleich. Die genaue Auswertung des Zielens Genauigkeit kann hilfreich sein, wenn Sie versuchen, den Sicherheitsabstand zu reduzieren und erhöhen Sie die Lautstärke der Ablation, die die Wirksamkeit der Behandlung zu verbessern. Darüber hinaus kann diese Methode bei der Qualitätssicherung der HIFU Antriebssystem verwendet werden.

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Disclosures

Xiang Ji ist ein bezahlter Berater für Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd. Die anderen Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde teilweise von der National Natural Science Foundation of China (81402522), die Shanghai Key Technology R & D-Programm (17441907400) aus der Wissenschaft und Technologie Kommission der Shanghai Municipality und Shanghai Jiao Tong University unterstützt Medizintechnik-Forschungsfonds (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd. ist auch für die Bereitstellung des USgHIFU-Systems anerkannt. Die Autoren danken Wenzhen Zhu und Junhui Dong für die phantom Vorbereitung und ihre Unterstützung in den 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

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References

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Li, K., Bai, J., Chen, Y., Ji, X. Evaluating Targeting Accuracy in the Focal Plane for an Ultrasound-guided High-intensity Focused Ultrasound Phased-array System. J. Vis. Exp. (145), e59148, doi:10.3791/59148 (2019).

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