Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Ocena dokładności celowania w płaszczyźnie ogniskowej dla sterowanego ultradźwiękami systemu Phased-array o wysokiej intensywności

4.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/59148

⸱

6 marca 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

W tym artykule

Podsumowanie

To badanie opisuje protokół do oceny dokładności celowania w płaszczyźnie ogniskowej ultradźwiękowego systemu phased-array o wysokiej intensywności pod kontrolą ultradźwięków.

Streszczenie

Phased array są coraz częściej używane jako przetworniki ultradźwiękowe o wysokiej intensywności (HIFU) w istniejących pozaustrojowych systemach HIFU (USgHIFU) pod kontrolą ultradźwięków. Przetworniki HIFU w takich systemach mają zwykle kształt kulisty z centralnym otworem, w którym zamontowana jest sonda obrazująca US i można ją obracać. Obraz na płaszczyźnie leczenia może być zrekonstruowany poprzez sekwencję obrazów uzyskaną podczas obrotu sondy. W związku z tym plan leczenia można sporządzić na zrekonstruowanych obrazach. W celu oceny dokładności celowania w płaszczyźnie ogniskowej takich układów opisano protokół metody wykorzystującej mięsień bydlęcy i fantom osadzony w markerze. W fantomie cztery solidne kule w rogach kwadratowego modelu żywicznego służą jako znaczniki odniesienia w zrekonstruowanym obrazie. Cel powinien być przesunięty tak, aby zarówno jego środek, jak i środek kwadratowego modelu mogły pokrywać się zgodnie z ich względnymi położeniami na zrekonstruowanym obrazie. Mięsień świni o grubości około 30 mm umieszcza się nad fantomem, aby naśladować tor wiązki w warunkach klinicznych. Po sonikacji skanowana jest płaszczyzna leczenia w fantomie i z zeskanowanego obrazu wydobywa się granicę powiązanej zmiany. Dokładność celowania można ocenić, mierząc odległość między środkami celu i zmiany, a także trzy parametry pochodne. Metoda ta nie tylko może ocenić dokładność celowania celu składającego się z wielu ognisk, a nie pojedynczego punktu ogniskowego w klinicznie istotnej ścieżce wiązki systemu USgHIFU phased-array, ale może być również stosowana w przedklinicznej ocenie lub regularnej konserwacji systemów USgHIFU skonfigurowanych z przetwornikiem fazowanym lub samoogniskującym HIFU.

Wprowadzenie

Tablica fazowa jest coraz częściej projektowana i wyposażona w systemy HIFU1,2,3,4,5,6,7. W systemach USgHIFU phased-array amerykańska sonda obrazująca jest zwykle montowana w centralnym otworze sferycznego przetwornika HIFU1,2,8. Sonda jest obrotowa w celu celowania i rekonstrukcji obrazu w przestrzeni trójwymiarowej9. Precyzyjne ukierunkowanie jest niezbędne dla bezpieczeństwa i skuteczności leczenia HIFU. Jednak większość badań mających na celu ocenę dokładności celowania przeprowadzono dla systemów HIFU sterowanych rezonansem magnetycznym lub systemów USgHIFU skonfigurowanych z przetwornikiem HIFU o samoogniskowym ukierunkowaniu HIFU10,11,12,13,14,15,16. Celem opisanej poniżej metody jest ocena dokładności celowania w płaszczyźnie ogniskowej dla systemów szyku fazowanego USgHIFU.

Fantom osadzony w mięśniu bydlęcym/markerze wzdłuż klinicznie istotnej ścieżki wiązki jest używany do oceny dokładności celowania klinicznego systemu fazowanego USgHIFU. Kwadratowy model z czterema kulkami w rogach jest wytwarzany i osadzany, w połączeniu z mięśniami bydlęcymi, w przezroczystym fantomie. Sześciokąt foremny jest wybierany jako cel na podstawie położenia środków czterech kulek zidentyfikowanych na zrekonstruowanym obrazie US na płaszczyźnie zabiegowej. Po sonikach HIFU skanowana jest płaszczyzna leczenia fantomu, a na zeskanowanym obrazie można określić granicę zmiany, a także położenie czterech kulek. Dokładność celowania można ocenić, mierząc odległość między środkami celu i zmiany, a także trzy parametry pochodne.

Metoda jest prostsza niż pomiar błędu celowania przy użyciu ruchu robota z konkretnym obiektem referencyjnym11,17,18 i bardziej klinicznie istotna w porównaniu do metody opartej na pojedynczej ogniskowej ablacji w jednorodnym fantomie 10. Metoda ta może być stosowana do oceny dokładności celowania systemów szyku fazowego USgHIFU. Może być również stosowany do innych systemów USgHIFU wyposażonych w samoogniskowe przetworniki HIFU.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Projektowanie i produkcja markerów

  1. Zaprojektuj model kwadratowy za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo. Ustawić każdą stronę jako patyczki o długości 40 mm i grubości 2 mm. Umieść solidną kulę o średnicy 10 mm w każdym rogu kwadratowego modelu.
  2. Jako materiał do drukowania należy użyć żywicy światłoczułej akrylonitryl-butadien-styren
    3. .
  3. Wyślij plik modelu 3D do producenta w celu wyprodukowania.

2. Przygotowanie fantomowe

  1. Przymocuj plastikowy cylinder (o średnicy 8 cm i wysokości 3 cm) do akrylowej listwy przypodłogowej z żelem krzemionkowym, aby uzyskać fantomowy uchwyt w temperaturze pokojowej. Pozostaw na 1 godzinę.
  2. Świeże mięśnie bydlęce pokroić w kwadrat (30 mm x 30 mm, o grubości 10 mm) i wietrzyć przez 2 godziny, aby odparować wilgoć.
  3. Wlej odgazowaną i zdejonizowaną wodę (115 ml) do zlewki, dodaj 13 g akrylamidu i mieszaj do rozpuszczenia. Dodać 0,24 g bis-akrylamidu i mieszać do rozpuszczenia. Następnie dodać 0,2 ml N,N,N',N'-tetrametyloetylenodiaminy i równomiernie wymieszać.
    UWAGA: Załóż maskę i gumowe rękawiczki.
  4. Przygotuj 5 ml odgazowanej i zdejonizowanej wody w innej zlewce, dodaj 0,3 g nadsiarczanu amonu i mieszaj do rozpuszczenia.
    UWAGA: Akrylamid, bis-akrylamid, N,N,N',N'-tetrametyloetylenodiamina i nadsiarczan amonu są toksyczne. Zwróć szczególną uwagę i unikaj kontaktu fizycznego.
  5. Kolejno wlać 40% roztworów z kroków 2.3 i 2.4 do uchwytu fantomu i mieszać przez 5 sekund. Pozostaw mieszaninę na 20 minut, aby stężała.
  6. Umieść wydrukowany w 3D kwadratowy model na powierzchni zestalonego fantomu i umieść pokrojony mięsień bydlęcy na środku modelu. Wlej resztę roztworu z kroku 2.3 do uchwytu fantomowego. Poruszaj mięśniem bydlęcym w przód iw tył, aby usunąć powietrze między powierzchnią spoczynkową a plastrem.
  7. Wlej resztę roztworu przygotowanego w kroku 2.4 do uchwytu fantomowego i mieszaj przez 5 sekund.
  8. Dostosuj położenie przeciętego mięśnia bydlęcego do środka fantomu w kierunku poprzecznym. Pozostaw na 20 minut, aby zestalić fantom.
  9. Usuń żel krzemionkowy między cylindrycznym tworzywem sztucznym a akrylową listwą przypodłogową za pomocą śrubokręta.
  10. Powoli odłącz akrylową listwę przypodłogową od cylindrycznego tworzywa sztucznego.

3. Konfiguracja systemu USgHIFU

  1. Uruchomić kliniczny system USgHIFU.
  2. Włącz moduł uzdatniania wody i ustaw prędkość cyrkulacji wody na 80 obrotów/min.
  3. Napełnij akrylowy cylindryczny zbiornik na wodę (o średnicy 30 cm i wysokości 13 cm) odgazowaną wodą o temperaturze pokojowej (22-25 °C).
  4. Umieść uchwyt fantomowy w odgazowanej wodzie i mocno zamocuj uchwyt.
  5. Przesuń cylindryczny zbiornik na wodę na łóżko zabiegowe. Podnieś łóżko zabiegowe i przesuń jednostkę terapeutyczną w dół do odgazowanej wody.

4. Kierowanie kierowane przez USA

  1. Przesuwaj jednostkę terapeutyczną powoli w górę i w dół, aby upewnić się, że głębokość płaszczyzny leczenia znajduje się na górnym granicy faz przekrojonego mięśnia bydlęcego i przezroczystego fantomu na obrazie USG.
  2. Obróć amerykańską sondę obrazującą do 0° i przesuń cylindryczny zbiornik na wodę, aby oś obrotu (nazywana również osią obrazowania) przechodziła przez środkowy punkt dwóch równoległych drążków na obrazie amerykańskim.
  3. Obróć sondę obrazującą o 90° i przesuń cylindryczny zbiornik na wodę, aby oś obrotu przechodziła przez środkowy punkt dwóch równoległych drążków na zdjęciu amerykańskim.
  4. Zrekonstruuj obraz US w płaszczyźnie leczenia na głębokości ostrości geometrycznej.
  5. Sprawdź, czy cztery kule są wyraźnie pokazane na zrekonstruowanym obrazie US i czy cel znajduje się w środku kwadratowego modelu.
    UWAGA: Środek celu jest z góry określony w środku zrekonstruowanego obrazu. Kula jest wyznaczana przez okrąg o średnicy 10 mm, którego średnia wartość szarości jest najwyższa w kwadracie o wymiarach 15 mm x 15 mm. Środek kwadratowego modelu jest wyznaczony przez przekątną czterech kul na zrekonstruowanym obrazie.
  6. Przesuń zbiornik na wodę zgodnie ze względnymi położeniami między celem a modelem kwadratowym i powtórz kroki 4.4 i 4.5.
  7. Podnieś jednostkę terapeutyczną i umieść mięsień świni o grubości około 30 mm nad fantomem. Następnie przesuwaj się w dół jednostki terapeutycznej, aż głębokość skupienia geometrycznego znajdzie się 3 mm poniżej górnej powierzchni przekrojonego mięśnia bydlęcego.
    UWAGA: Korekcja ogniskowej 3 mm wzdłuż ścieżki wiązki jest szacowana na podstawie grubości mięśnia świni na podstawie wzoru empirycznego z poprzedniego badania19.

5. Sonikacja HIFU

  1. Wybierz następujące parametry sonikacji: czas trwania impulsu (400 ms), cykl pracy (80%), moc akustyczna (400 W) oraz czas chłodzenia pomiędzy sonikacją kolejnych ognisk (30 s).
  2. Ustaw czas naświetlania punktów ogniskowych w celu.
    1. Powtórz procedurę dla trzech koncentrycznych foremnych sześciokątnych obiektów o odpowiednich przekątnych 5,4 mm, 9 mm i 12,6 mm. Ustaw czasy ekspozycji na 2,0 s, 2,5 s i 3,0 s dla punktów ogniskowych znajdujących się odpowiednio w wewnętrznym, środkowym i zewnętrznym sześciokącie oraz 2,0 s dla punktu ogniskowego w geometrycznym środku szyku fazowego.
  3. Rozpocznij sonikację i połóż jedną stopę na pedale nożnym w celu sonizacji HIFU.
  4. Obserwuj zmianę echogeniczności na obrazie amerykańskim, aż do zakończenia sonikacji.

6. Ocena dokładności celowania systemu szyku fazowego USgHIFU

  1. Chwyć uchwyt fantomu i płynnie naciśnij fantom, aby go wyjąć.
  2. Podziel fantom wzdłuż płaszczyzny leczenia za pomocą noża.
  3. Zeskanuj płaszczyznę leczenia fantomu, która zawiera pokrojony mięsień bydlęcy.
  4. Przetwórz zeskanowany obraz za pomocą oprogramowania matematycznego i wyodrębnij granice celu i zmiany.
  5. Oblicz odległość międzyosiową dc i maksymalne przekroczenie granicy celu db.
    UWAGA: dc to odległość między środkami celu a jego odpowiednią zmianą. db oznacza maksymalną odległość przekroczenia między granicą zmiany a odpowiednim celem.
  6. Oblicz stosunek obszarów uszkodzenia wewnątrz i na zewnątrz obiektu do obszaru docelowego odpowiednio ηI = (SA ∩ SP) / SP i ηO = (SA - SA ∩ SP) / SP.
    UWAGA: SP oznacza obszar docelowy, SA reprezentuje obszar zmiany.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Wykonaliśmy fantomy przeznaczone do oceny dokładności celowania klinicznego systemu USgHIFU z anteną fazową, zawierające cele o trzech różnych rozmiarach. Rysunek 1 przedstawia obraz US pod kątami 0° i 90°. Interfejsy są wyraźne, a pręty modelu kwadratowego są jasne na obrazach US. Rysunek 2 prezentuje zrekonstruowany obraz US w płaszczyźnie zabiegowej oraz punkty ogniskowe największego celu. Środki czterech kulek zostały wyznacz...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Komponenty robotyczne zostały wykorzystane w pozaustrojowych systemach USgHIFU. Aby ocenić dokładność celowania takich systemów, zastosowano markery referencyjne 11,12,18, tkanki in vitro 17, modele naśladujące guz i fantomy wrażliwe na temperaturę10,20 pojedynczo lub w kombinacji. W porównaniu z protokołami w tych badaniach, metoda ta jest bardzi...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Xiang Ji jest płatnym konsultantem w Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd. Pozostali autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca została częściowo wsparta przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (81402522), Shanghai Key Technology R&D Program (17441907400) z Komisji Nauki i Technologii Gminy Szanghaj oraz Shanghai Jiao Tong University Medical Engineering Research Fund (YG2017QN40, YG2015ZD10). Firma Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd. jest również uznawana za dostawcę systemu USgHIFU. Autorzy dziękują Wenzhen Zhu i Junhui Dong za przygotowanie fantomu i ich pomoc w eksperymentach.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
AkrylamidAmrescoD403-2
Akrylowa listwa przypodłogowaLAO NIAO STORESdostosowany
Akrylowy cylindryczny zbiornik na wodę LAO NIAO STORESdostosowane
nadsiarczan amonuYatai United Chemical Co., Ltd (Wuxi, Chiny)2017-03-01
ZlewkaWschodniochiński sklep
Bis-akrylamidAmrescoM0172
Rynekmięśni bydlęcych
Deska do krojeniaJIACHIJC-ZB40
Cylindryczne tworzywo sztuczne  uchwyt fantomuQIYINPAIdostosowany
odgazowana wodawykonana przez system USgHIFU
Waga elektrycznaYINGHENG11119453359
Pręt szklanyWschodnie Chiny Odczynniki chemiczne Sklep z odczynnikami chemicznymi Nóż Maska
SHIBAZISL1210-C
Medicom2498
N,N,N',N' – TetrametyloetylenodiaminaZhanyun Chemical Co., Ltd (Szanghaj, Chiny)
Gumowa rękawicaAMMEXYZB/MAL 0587-2018
SkanerFuji XeroxDocuPrint M268dw
ŚrubokrętStanleyT6
Żel krzemionkowyGE381
Model kwadratowyQIYINPAIdostosowany
Łyżki ze stali nierdzewnejWschodnie Chiny Sklep
PrzyssawkaWschodnie Chiny Sklep
Rynekmięśni świń
System USgHIFUZhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd.SUA-I
z odczynnikami chemicznymi dejonizowana z odczynnikami chemicznymiz odczynnikami chemicznymi

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

HIFU pod kontrol ultrad wi k wocena dok adno ci celowaniafantom z mi nia bydl cegotkanka mi niowa winirekonstrukcja obrazu USGgeometryczna g boko ogniskowaniaekstrakcja granic zmianyanaliza p aszczyzny leczenia
Ocena dokładności celowania w płaszczyźnie ogniskowej dla sterowanego ultradźwiękami systemu Phased-array o wysokiej intensywności
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.