Deze studie beschrijft een protocol om te evalueren van de targeting nauwkeurigheid in het brandvlak van een echografie-geleide high intensity gerichte echografie geleidelijk-array systeem.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Evaluatie van Targeting nauwkeurigheid in het brandvlak voor een echografie-geleide High-intensity gericht echografie geleidelijk-matrix systeem
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Phased arrays worden steeds meer gebruikt als hoge intensiteit geconcentreerd ultrageluid (HIFU) omvormers in de bestaande Extracorporale echografie-geleide HIFU (USgHIFU) systemen. De HIFU omvormers in dergelijke systemen zijn meestal sferisch in vorm met een gat in het midden waar een Amerikaanse imaging sonde is gemonteerd en kan worden gedraaid. Het beeld op het vlak van behandeling kan worden gereconstrueerd door middel van de Afbeeldingsvolgorde verworven tijdens de rotatie van de sonde. Daarom kan het behandelingsplan op de gereconstrueerde beelden worden gemaakt. Teneinde de targeting nauwkeurigheid in het brandvlak van dergelijke systemen, het protocol van een methode met behulp van een runderen wordt spier en marker-embedded phantom beschreven. In de phantom dienen vier stevige ballen op de hoeken van een vierkant hars model als de referentie-markeringen in het gereconstrueerde beeld. Het doel moet worden verplaatst zodat zowel het centrum als het centrum van het vierkante model volgens hun relatieve positie in het gereconstrueerde beeld kunnen samenvallen. Varkens spier met een dikte van ongeveer 30 mm is boven de phantom na te bootsen de lichtbundel pad in klinische instellingen geplaatst. Na ultrasoonapparaat, het vliegtuig van de behandeling in de phantom wordt gescand en de grens van de bijbehorende laesie wordt gewonnen uit de gescande afbeelding. De targeting nauwkeurigheid kan worden geëvalueerd door het meten van de afstand tussen de centers van doelgroep en laesie, evenals drie afgeleide parameters. Deze methode niet alleen bepalen de targeting nauwkeurigheid van het doel dat bestaat uit meerdere focal vlekken in plaats van een enkele focal plek in een klinisch relevante lichtbundel pad van de USgHIFU geleidelijk-array systeem, maar het kan ook worden gebruikt in de preklinische evaluatie of regelmatig onderhoud van USgHIFU systemen die zijn geconfigureerd met geleidelijk-matrix of zelf gerichte HIFU transducer.
Inleiding
De phased array is steeds ontworpen en uitgerust in HIFU systemen1,2,3,4,5,6,7. In USgHIFU geleidelijk-array systemen, is een Amerikaanse imaging sonde meestal gemonteerd in het gat in het midden van de sferische HIFU transducer1,2,8. De sonde is draaibare voor targeting en afbeelding wederopbouw in de driedimensionale ruimte9. Precieze targeting is vereist voor de veiligheid en de werkzaamheid van de HIFU-behandeling. Echter zijn het merendeel van de studies voor de beoordeling van gericht op nauwkeurigheid uitgevoerd voor magnetische resonantie-geleide HIFU systemen of USgHIFU systemen die zijn geconfigureerd met een zelf gerichte HIFU transducer10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. het doel van de hieronder beschreven methode is om de targeting nauwkeurigheid in het brandvlak voor USgHIFU phased array systemen.
Een boviene spier/marker-embedded phantom langs het pad van klinisch relevante lichtbundel wordt gebruikt bij de evaluatie van de targeting nauwkeurigheid van een klinische USgHIFU geleidelijk-array systeem. Een vierkante model met vier ballen op de hoeken is vervaardigd en ingebed, in combinatie met boviene spier, in de transparante phantom. Een regelmatige zeshoek is geselecteerd als de target op basis van de standpunten van de centra van vier ballen geïdentificeerd in het gereconstrueerde beeld van de VS op het vlak van de behandeling. Na HIFU de sonications, het vliegtuig van de behandeling van de phantom wordt gescand en de grens van de laesie, evenals de standpunten van de vier ballen, kunnen worden bepaald in de gescande afbeelding. De targeting nauwkeurigheid kan worden geëvalueerd door het meten van de afstand tussen de centers van doelgroep en laesie, evenals drie afgeleide parameters.
De methode is eenvoudiger dan de meting van de targeting fout robotic verkeer met een specifieke verwijzing object11,17,18 en meer klinisch relevante in vergelijking met de methode gebaseerd op één focal ter plaatse van het baarmoederslijmvlies in een homogene phantom10. Deze methode kan worden gebruikt bij de evaluatie van de targeting nauwkeurigheid van USgHIFU phased array systemen. Het kan ook worden gebruikt voor andere systemen van de USgHIFU uitgerust met zelf gerichte HIFU omvormers.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. de markeringsontwerp en fabricage
- Het ontwerp van een vierkante model met behulp van computer aided designsoftware. Stel elke zijkant als sticks met lengtes van 40 mm en een dikte van 2 mm. plaats een solide bal met een diameter van 10 mm op elke hoek van het vierkante model.
- Acrylonitril butadieen styreen lichtgevoelige hars als het materiaal voor afdrukken gebruiken
- Het 3D-modelbestand verzenden naar een fabrikant voor fabricage.
2. phantom voorbereiding
- Bevestig een plastic cilinder met (een diameter van 8 cm) en een hoogte van 3 cm aan een acryl baseboard met silica gel om te maken een phantom houder bij kamertemperatuur. Laat het zitten gedurende 1 uur.
- Snijd verse boviene spier in een vierkant (30 mm x 30 mm, met een dikte van 10 mm) en Ventileer het voor 2 h te verdampen van vocht.
- Giet ontgaste en gedeïoniseerd water (115 mL) in een bekerglas, Voeg in 13 g acrylamide, en roer tot het is opgelost. Voeg 0,24 g bis-acrylamide en roer tot het is opgelost. Voeg vervolgens, 0.2 mL N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine en roer uniform.
Opmerking: Zet op een masker en rubberhandschoenen. - Voorbereiden van 5 mL ontgaste en gedeïoniseerd water in een bekerglas, 0,3 g van ammoniumnitraat persulfate toevoegen en roer te ontbinden.
Let op: Acrylamide, bis-acrylamide, N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine en ammonium persulfate zijn giftig. Aandacht schenken en voorkomen van fysiek contact. - Achtereenvolgens 40% van de oplossingen van stap 2.3 en 2.4 in de phantom houder giet en roer gedurende 5 s. Laat het mengsel zitten voor 20 min te stollen.
- Plaats van het vierkante model met 3D-gedrukt op het oppervlak van de gestolde phantom, en zet de gesneden boviene spier in het midden van het model. Giet de rest van de oplossing van stap 2.3 in de phantom houder. Verplaats de boviene spier heen en weer te verwijderen van de lucht tussen de interface van de phantom en het segment.
- Giet de rest van de oplossing bereid stap 2.4 in de phantom houder, en roer gedurende 5 s.
- De locatie van de gesneden boviene spier naar het midden van de phantom langs de dwarsrichting fine-tunen. Laat het zitten voor 20 min te stollen de phantom.
- Verwijder de silicagel tussen de cilindrische plastic en het acryl baseboard, met behulp van een schroevendraaier.
- Langzaam loskoppelen de acryl plint van de cilindrische plastic.
3. setup van het systeem van de USgHIFU
- Het klinische USgHIFU systeem gestart.
- Zet de water-verwerking-module, en de snelheid van de watercirculatie vastgesteldop 80 rondes/min.
- Vul een acryl cilindrische waterreservoir met (een diameter van 30 cm) en een hoogte van 13 cm met ontgaste water op kamertemperatuur (22-25 ° C).
- De phantom houder in de ontgaste water plaatsen en monteren van de houder strak.
- Verplaats het cilindrische waterreservoir op het bed van de behandeling. Til het bed van de behandeling en de therapeutische eenheid omlaag in de ontgaste water.
4. U.S.-geleide doelgerichtheid
- De therapeutische eenheid langzaam omhoog verplaatsen en omlaag om ervoor te zorgen dat de diepte van het vliegtuig van de behandeling gelegen op de bovenste interface van het gesneden boviene spier- en transparante phantom in de VS-afbeelding is.
- De Amerikaanse imaging sonde tot 0° draaien en verplaatsen van de cilindrische watertank te maken van de roterende as (ook imaging-as genoemd) passeren het middelste punt van de twee parallelle stokken in de VS-afbeelding.
- De imaging sonde tot 90° draaien en verplaatsen van de cilindrische watertank te maken van de roterende as passeren het middelste punt van de twee parallelle stokken in de VS-afbeelding.
- Reconstrueren het Amerikaanse beeld in het vlak van de behandeling op de diepte van de geometrische focus.
- Controleer als de vier ballen worden duidelijk weergegeven in de gereconstrueerde beeld van de VS en of het doelwit zich bevindt in het midden van het vierkant model.
Opmerking: Het midden van het doelwit is vooraf bepaald in het midden van het gereconstrueerde beeld. De bal wordt bepaald door een cirkel met een diameter van 10 mm, waarvan de gemiddelde grijze waarde is het hoogst in een 15 mm x 15 mm vierkante. Het midden van het vierkant model wordt bepaald door de diagonaal van de vier ballen in het gereconstrueerde beeld. - Verplaats het waterreservoir volgens de relatieve posities tussen het doel en de stappen van het vierkant model, en herhaalt 4.4 en 4.5.
- Til de therapeutische eenheid en de varkens spier zetten met een dikte van ongeveer 30 mm boven de phantom. Vervolgens, de therapeutische eenheid omlaag totdat de diepte van de geometrische focus 3 mm onder het bovenoppervlak van de gesneden boviene spier is.
Opmerking: De correctie 3 mm focal langs het pad van de lichtbundel wordt geraamd volgens de dikte van de spier van de varkens op basis van de empirische formule van een eerdere studie19.
5. HIFU ultrasoonapparaat
- Selecteer de volgende ultrasoonapparaat parameters: impulstijd (400 ms), taakcyclus (80%), akoestische power (400 W) en koeling van de tijd tussen het ultrasoonapparaat van opeenvolgende focal plekken (30 s).
- De blootstellingstijd instellen voor de focal plekken in het doel.
- Herhaal de procedure voor drie concentrische regelmatige zeshoekige doelen met respectieve diagonalen van 5,4 mm, 9 mm en 12,6 mm. Set belichtingstijden van 2.0 s, 2,5 s en 3.0 s voor de focal plekken liggen op de innerlijke, middelste en buitenste zeshoek, respectievelijk, en 2.0 s voor de foc al ter plaatse in het geometrische centrum van de phased array.
- Start de ultrasoonapparaat en zette een voet op het voetpedaal voor HIFU ultrasoonapparaat.
- Observeer de verandering van echogenicity in de VS afbeelding totdat de sonications voltooid zijn.
6. evaluatie van de targeting nauwkeurigheid van de USgHIFU geleidelijk-matrix systeem
- De phantom houder halen en soepel op de phantom te nemen uit.
- Het splitsen van de phantom langs het vliegtuig van de behandeling met behulp van een mes.
- Scannen van het vliegtuig van de behandeling van de phantom waarin de gesneden boviene spier.
- Verwerken van de gescande afbeelding met behulp van wiskundige software en haal de grenzen van de doelgroep en de laesie.
- Bereken de intercenter afstand dc en de maximale overschrijding van het doel grens db.
Opmerking: dc is de afstand tussen de centers voor het doel en de respectieve laesie. d b is de maximale afstand tussen de grens van de laesie en haar respectieve doelstelling overschrijding. - Berekenen van de verhouding van de gebieden van de laesie binnen en buiten de doelstelling naar het doelgebied als ηik = (SA ∩ SP) / SP en ηO = (SA - SA ∩ SP) / SP, respectievelijk.
Opmerking: SP geeft het doelgebied, SA vertegenwoordigt de laesie gebied.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Phantoms maakten we gewijd aan de evaluatie van de targeting nauwkeurigheid van een klinische USgHIFU geleidelijk-array systeem met de doelstellingen van de drie verschillende maten. Figuur 1 toont de VS afbeelding onder een hoek van 0 ° en 90 °. De interfaces zijn duidelijk, en de stokken van het vierkante model zijn helder in de VS-beelden. Figuur 2 toont het gereconstrueerde beeld van de VS in het vliegtuig van de behandeling ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Robotic componenten zijn gebruikt voor extracorporele USgHIFU systemen. Om te evalueren van de targeting juistheid van dergelijke systemen, referentie markeringen11,12,18, zijn in vitro weefsel17, tumor-mimic modellen en temperatuurgevoelige phantoms gebruikt alleen of in combinatie 10,20. Vergeleken met de protocollen in deze studies, deze method...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Xiang Ji is een betaalde consultant voor Zhonghui medische technologie (Shanghai) Co., Ltd. De andere auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door de nationale Natural Science Foundation van China (81402522), het Shanghai sleutel Technology R & D programma (17441907400) van de wetenschap en technologie Commissie van de gemeente van de Shanghai en Shanghai Jiao Tong Universiteit Medische techniek onderzoeksfonds (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui medische technologie (Shanghai) Co., Ltd. wordt ook erkend voor het verstrekken van het USgHIFU-systeem. De auteurs bedanken Wenzhen Zhu en Junhui Dong voor de phantom voorbereiding en hun hulp in de experimenten.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 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 | gemaakt door het USgHIFU-systeem | ||
| 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 |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
