Summary
Denne undersøgelse beskriver en protokol for at vurdere målretning nøjagtigheden i brændplanet af en ultralyd-styrede højintensive fokuseret ultralyd gradvis array system.
Abstract
Phased arrays er i stigende grad brugt som højintensive fokuseret ultralyd (HIFU) transducere i de eksisterende ekstrakorporal ultralydsvejledt HIFU (USgHIFU) systemer. HIFU transducere i sådanne systemer er normalt sfærisk form med en central hul hvor en amerikanske imaging sonden er monteret og kan roteres. Billedet på flyet af behandling kan rekonstrueres gennem billedsekvens erhvervet under rotation af sonden. Behandlingsplan kan derfor foretages på de rekonstruerede billeder. For at vurdere den målretning nøjagtighed i brændplanet af sådanne systemer, protokollen af en metode, ved hjælp af en kvæg er muskel og markør-indlejrede phantom beskrevet. I phantom tjene fire solide bolde i hjørnerne af en firkantet harpiks model som reference markører i den rekonstruerede billede. Målet bør være flyttet, så både centrum og midten af den firkantede model kan falde sammen efter deres relative positioner i den rekonstruerede billede. Svin muskel med en tykkelse på ca. 30 mm er placeret over phantom at efterligne strålegang i klinisk indstillinger. Efter ultralydbehandling, behandling flyet i phantom er scannet og grænsen for den tilknyttede læsion er udvundet fra det scannede billede. Målretning nøjagtigheden kan vurderes ved at måle afstanden mellem centrene af mål og læsion, samt tre afledte parametre. Denne metode kan ikke kun evaluere målretning nøjagtigheden af målet bestående af flere centrale steder i stedet for et enkelt omdrejningspunkt spot i en klinisk relevante strålegang USgHIFU gradvis array system, men det kan også bruges i de prækliniske evaluering eller regelmæssig vedligeholdelse af USgHIFU systemer konfigureret med gradvis-array eller selvstændige fokuseret HIFU transducer.
Introduction
Phased array er i stigende grad konstrueret og udstyret i HIFU systemer1,2,3,4,5,6,7. I USgHIFU gradvis array-lagringssystemer, er en amerikansk imaging sonde normalt monteret i den centrale hul af sfæriske HIFU transducer1,2,8. Sonden er drejelig for målretning og billede genopbygning i tre-dimensionelle rum9. Præcis målretning er nødvendige for sikkerheden og effekten af HIFU behandling. Men de fleste undersøgelser til evaluering af målretning nøjagtighed er blevet udført for magnetisk resonans-vejledt HIFU systemer eller USgHIFU systemet konfigureret med en selvstændig fokuseret HIFU transducer10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. Formålet med metoden beskrevet nedenfor er at evaluere de målretning nøjagtighed i brændplanet for USgHIFU phased array systemer.
En kvæg muskel/markør-indlejrede phantom langs de klinisk relevante strålegang bruges i evalueringen af målretning nøjagtigheden af en klinisk USgHIFU gradvis array system. En firkantet model med fire bolde i hjørnerne er fabrikeret og indlejret i kombination med bovin muskel, i den gennemsigtige phantom. En regelmæssig sekskant er valgt som mål baseret på positioner af centre for fire bolde identificeret i den rekonstruerede kr. billede i behandling flyet. Efter HIFU sonications, behandling flyet af phantom er scannet, og grænsen for læsion og holdninger af de fire bolde, kan bestemmes i det scannede billede. Målretning nøjagtigheden kan vurderes ved at måle afstanden mellem centrene af mål og læsion, samt tre afledte parametre.
Metoden er enklere end måling af målretning fejlen ved hjælp af robot bevægelse med en specifik reference objekt11,17,18 og mere klinisk relevante i forhold til metoden baseret på enkelt fokale spot ablation i en homogen phantom10. Denne metode kan bruges i vurderingen af målretning nøjagtigheden af USgHIFU phased array systemer. Det kan også bruges til andre USgHIFU systemer udstyret med selvstændig fokuseret HIFU transducere.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. markør design og fabrikation
- Designe en firkantet model ved hjælp af computer-aided design software. Indstille hver side som sticks med længder på 40 mm og tykkelse af 2 mm. sted en fast kugle med en diameter på 10 mm i hvert hjørne af den firkantede model.
- Bruge acrylonitril butadien styren lysfølsomme harpiks som materiale til udskrivning.
- Send Modelfilen 3D til en producent for fabrikation.
2. phantom forberedelse
- Tillægge en akryl baseboard med silica gel til at gøre en fantom indehaveren ved stuetemperatur en plastik cylinder med (en diameter på 8 cm) og en højde på 3 cm. Lad det sidde i 1 h.
- Skær frisk bovin muskel i en firkantet form (30 mm x 30 mm, med en tykkelse på 10 mm) og ventilere det i 2 timer til at fordampe fugt.
- Hæld afgassede og deioniseret vand (115 mL) i et bægerglas, tilføje i 13 g af acrylamid, og rør indtil opløst. Tilføj 0,24 g af bis-acrylamid og rør indtil opløst. Derefter tilføje 0,2 mL N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine og rør jævnt.
Bemærk: Iførte en maske og gummi handsker. - Forberede 5 mL afgassede og deioniseret vand i et andet bægerglas, tilsættes 0,3 g ammonium persulfat, og rør til at opløse.
Forsigtig: Acrylamid, bis-acrylamid, N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine, og ammonium persulfat er giftige. Meget opmærksomme og undgå fysisk kontakt. - Successivt hæld 40% af løsninger fra trin 2.3 og 2.4 i phantom holderen, og rør for 5 s. Lad blandingen sidde i 20 min. til at størkne.
- Placerer den 3D-trykt firkantet model på overfladen af den størknede phantom, og sætte den snittede bovin muskel i midten af modellen. Hæld resten af løsningen fra trin 2.3 til indehaveren af phantom. Flytte bovin musklen frem og tilbage til at fjerne luft mellem interface af fantomet og skive.
- Hæld resten af en opløsning fremstillet i trin 2.4 i phantom holderen, og rør for 5 s.
- Finjustere placeringen af de skivede bovin muskel til midten af phantom langs den tværgående retning. Lad det sidde i 20 min til at størkne phantom.
- Fjerne silicagel mellem den cylindriske plast og akryl baseboard, ved hjælp af en skruetrækker.
- Langsomt løsrive den akryl baseboard fra den cylindriske plast.
3. opsætning af USgHIFU system
- Starte den kliniske USgHIFU system.
- Tænde modulet vand-behandling, og indstille hastigheden for vandcirkulation på 80 skud/min.
- Fyld en akryl cylindrisk vandtank med (en diameter på 30 cm) og en højde på 13 cm med afgassede vand ved stuetemperatur (22-25 ° C).
- Placer phantom indehaveren i den afgassede vand og lave indehaveren stramt.
- Flytte den cylindriske vandtank på behandling seng. Lift behandling sengen og flytte ned den terapeutiske enhed i den afgassede vand.
4. U.S.-styrede målretning
- Flytte den terapeutiske enhed langsomt op og ned for at sikre, at dybden af behandling flyet er placeret på den øvre grænseflade i skiver bovin muskel og gennemsigtig phantom i det amerikanske billede.
- Rotere amerikanske imaging sonden til 0° og flytte den cylindriske vandtank til at gøre den roterende akse (også benævnt imaging akse) passerer gennem den midterste punkt af de to parallelle pinde i det amerikanske billede.
- Rotere imaging sonden til 90° og flytte den cylindriske vandtank til at gøre den roterende akse passere gennem den midterste punkt af de to parallelle pinde i det amerikanske billede.
- Rekonstruere det amerikanske billede i behandling flyet på en dybde af geometriske fokus.
- Kontrollere hvis de fire bolde tydeligt vist i den rekonstruerede kr. billede og hvorvidt målet er beliggende i centrum af den firkantede model.
Bemærk: I midten af målet er forudbestemt i midten af den rekonstruerede billede. Bolden er bestemt af en cirkel med en diameter på 10 mm, den gennemsnitlige grå værdi er højest i en 15 mm x 15 mm firkantet. Midten af den firkantede model bestemmes af diagonalen i de fire bolde i den rekonstruerede billede. - Flytte vandtanken ifølge de relative positioner mellem målet og firkantet model, og Gentag trinene 4.4 og 4.5.
- Løft den terapeutiske enhed og sætte svin muskel med en tykkelse på ca 30 mm over fantomet. Derefter, flytte ned den terapeutiske enhed indtil dybden af geometriske fokus er 3 mm under den øvre overflade af skiveskåret bovin musklen.
Bemærk: 3 mm fokale korrektion langs strålegangen er anslået efter tykkelsen af svin muskel baseret på empiriske formel fra en tidligere undersøgelse19.
5. HIFU sonikering
- Vælg følgende sonikering parametre: impulslængde (400 ms), normeret maksimalydelse (80%), akustisk power (400 M), og køling tid mellem sonikering af successive fokale steder (30 s).
- Indstillet eksponeringstid for de centrale steder i målet.
- Gentag proceduren for tre koncentriske regelmæssig sekskantede mål med respektive diagonaler 5,4 mm, 9 mm og 12.6 mm. sæt eksponering gange af 2,0 s, 2.5 s og 3.0 s for de fokale steder beliggende ved den inderste, midterste og ydre sekskant, henholdsvis, og 2.0 s for foc Al spot på geometriske centrum af phased array.
- Start ultralydbehandling og sætte den ene fod på fodpedal for HIFU sonikering.
- Observere ændringen af echogenicity i det amerikanske billede, indtil sonications er afsluttet.
6. evaluering af målretning nøjagtigheden af USgHIFU gradvis array system
- Hente phantom indehaveren, og jævnt tryk phantom at tage det ud.
- Split phantom langs behandling plan med en kniv.
- Skan behandling flyet af fantomet, der indeholder de skivede bovin muskel.
- Behandle det scannede billede ved hjælp af matematiske software og udtrække grænserne for mål og læsion.
- Beregn intercenter afstand dc og maksimal overskridelse af målet grænse db.
Bemærk: dc er afstanden mellem centrene af målet og dets respektive læsion. d b er den maksimale overskridelser afstanden mellem kanten af læsionen og dets respektive mål. - Beregne forholdet mellem områder af læsion i og uden for målet til målområdet som ηjeg = (SA ∩ SP) / SPetersen og ηO = (SA - SA ∩ SP) / SPedersen, henholdsvis.
Bemærk: SP angiver målområdet, SA repræsenterer området læsion.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vi lavede phantoms dedikeret til evaluering målretning nøjagtigheden af en klinisk USgHIFU gradvis array system med mål i tre forskellige størrelser. Figur 1 viser den amerikanske billede ved 0 ° og 90 °. Grænsefladerne er klar, og pinde af den firkantede model er lyse i amerikanske billeder. Figur 2 viser rekonstruerede amerikanske billedet i den behandling og de fokale steder af den største mål. Centrene for de fire bolde blev bestemt af de blå cirkler af samme størrelse med det højeste gennemsnit grå værdi. Figur 3 viser de scannede billeder af den behandling af fantomet og udpakkede grænserne for mål og læsioner.
Vi var i stand til at evaluere den målretning nøjagtighed i brændplanet efter parametre dc, db, ηjeg, og ηO er defineret i punkt 6 i protokollen. Forsøgene blev gentaget tre gange for hvert mål. Resultaterne præsenteres i tabel 1.
Figur 1 : Amerikanske billeder ved 0° og 90°. Tykkelsen af svin muskler var omkring 30 mm. Grænsefladerne væv phantom væv langs strålegangen kan skelnes. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2 : Rekonstrueret kr. billede i behandling plan. De blå cirkler (med den højeste gennemsnitlige grå værdi i røde stiplede firkanter) bestemme positioner af fire bolde og midten af den firkantede model, som er også centrum for mål (den røde plet). De mørke brune firkanter angiver de fokale steder i den største regelmæssig sekskantede mål. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 : Scannede billeder og udvundet grænserne for forskellige mål efter HIFU sonikering. (A) læsioner af de tre mål med diagonaler 5,4 mm, 9 mm og 12.6 mm fra venstre mod højre. (B) udvundet grænserne for de tre mål (blå) og de tilsvarende læsioner (sort). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Diagonal af regelmæssige sekskant (mm) | d c (mm) | d b (mm) | Η Jeg | 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% |
Tabel 1: oversigt over parametre for at vurdere den målretning nøjagtighed. Værdierne af dc, db, ηjegog ηO blev udtrykt som gennemsnit ± standardafvigelse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Robot komponenter har været anvendt for ekstrakorporal USgHIFU systemer. For at evaluere målretning nøjagtigheden af sådanne systemer, reference markører11,12,18, har in vitro-væv17, tumor-efterligne modeller og temperatur-følsomme phantoms været anvendt alene eller i kombination 10,20. Sammenlignet med protokollerne i disse undersøgelser, denne metode er mere klinisk relevante og gør det nemt at kvantificere den målretning fejl i brændplanet. Ved at kombinere reference markør med den heterogene, gennemsigtig phantom, er denne metode blevet ændret fra en anden undersøgelse for at vurdere en USgHIFU system sigter mod bryst tumor ablation21målretning nøjagtighed. Vi har verificeret effektiviteten af denne metode med vores USgHIFU gradvis array system anvendes på uterine fibromer i den tidligere undersøgelse22. Vi har udført tests uden fokale korrektion langs stien stråle, og kun en lille del (~ 2 mm i længden) af læsion fandtes i skiver bovin musklen. Efter den fokale korrektion baseret på empiriske formel19, blev læsion (~ 5 mm i længden) fundet i skiver bovin musklen, som har bekræftet forbedringen i målretning nøjagtigheden langs stien stråle. Desuden er evaluering af målretning nøjagtighed i brændplanet af mere praktisk værdi i forhold til de metoder, der tager sigte på nøjagtigheden af en enkelt fokale sted for solid tumor ablation.
Udvælgelsen af kvæg muskel gør læsion tydeligt kan skelnes fra det omgivende væv sammenlignet med læsioner lavet i svin eller kylling muskler af in vitro-HIFU ablation. Foretagelse af kvæg muskel/markør-indlejrede gennemsigtig phantom er kritiske for den hele protokol for at evaluere målretning nøjagtigheden af USgHIFU gradvis array system. Bestemmelse af om centre for målet og den firkantede model sammenfaldende er derudover afgørende i evalueringsprocedure; således, holdning af phantom skal justeres. Den hvide intramuskulær septum i skiver bovin musklen gør tærskel segmentering utilstrækkelige til at udtrække læsion grænsen fra det scannede billede; Manuel segmentering bør derfor anvendes, når det er nødvendigt.
Der er stadig begrænsninger i denne protokol. Denne undersøgelse sigter til evaluering af målretning nøjagtighed i brændplanet kun, og det gælder for USgHIFU gradvis array systemer. Men for USgHIFU systemer med en selvstændig fokuseret transducer, trin 4.2-4.4 af protokollen bør revideres. Det amerikanske billede i behandling plan kan rekonstrueres gennem de billeder, der er erhvervet ved at oversætte amerikanske imaging sonden i stedet for af rotation, og de andre trin i protokollen forbliver det samme. Den præcise vurdering af målretning nøjagtighed kan være nyttigt, når du forsøger at reducere sikkerhedsmargenen og øge ablation volumen, som ville forbedre behandlingen effektivitet. Desuden kan denne metode bruges i kvalitetssikring af HIFU kørende system.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Xiang Ji er betalt konsulent for Zhonghui medicinsk teknologi (Shanghai) Co., Ltd. Andre forfattere har intet at videregive.
Acknowledgments
Dette arbejde er blevet støttet i en del af den National Natural Science Foundation of China (81402522), Shanghai nøgle teknologi R & D Program (17441907400) fra videnskab og teknologi Kommissionen af Shanghai kommune og Shanghai Jiao Tong University Medikoteknik forskningsfond (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui medicinsk teknologi (Shanghai) Co., Ltd. er også anerkendt for at levere USgHIFU systemet. Forfatterne takke Wenzhen Zhu og Junhui Dong for phantom forberedelse og deres bistand i eksperimenter.
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
- 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).
