Engineering

הערכת דיוק מיקוד ב מישור מוקד עבור מונחה אולטרה סאונד בעוצמה גבוהה ממוקד אולטרסאונד בהדרגה, מערך מערכת

Published: March 6, 2019 doi: 10.3791/59148

Ke Li^1,2, Jingfeng Bai^1,2, Yazhu Chen^1,2, Xiang Ji^1,2

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

Summary

מחקר זה מתאר פרוטוקול כדי להעריך את רמת הדיוק מיקוד במישור המוקד של מערכת בהדרגה, מערך מונחה אולטראסאונד אולטראסאונד ממוקד בעוצמה גבוהה.

Abstract

מופע מערכים משמשים יותר ויותר מתמרים אולטרסאונד ממוקד בעוצמה גבוהה (HIFU) במערכות קיימות בעיות מונחה אולטרה סאונד HIFU (USgHIFU). מתמרים HIFU במערכות כאלה הם בדרך כלל כדורית במצב עם חור מרכזי שבו מכשיר בדיקה הדמיה של ארה ב הוא רכוב, ניתן לסובב. התמונה על המטוס של טיפול יכול יורכבו דרך רצף תמונות שנרכש במהלך הסיבוב של המכשיר. לכן, תוכנית הטיפול יכול להתבצע על תמונות המשוחזרת. על מנת להעריך את הדיוק מיקוד במישור המוקד של מערכות כאלה, הפרוטוקול של שיטה באמצעות שור מתואר שריר, סמן-מוטבע פנטום. ב. הפאנטום, ארבעה כדורים מוצקים בפינות של דגם מרובע שרף לשמש סמני הפניה בתמונה המשוחזרת. המטרה, צריך לעבור כך המרכז שלו והן למרכז של דגם מרובע יכול לחפוף על פי העמדות שלהם יחסית בתמונה המשוחזרת. החזירים שריר עם עובי של 30 מ מ ממוקמת מעל הפאנטום לחקות את נתיב קרן בהגדרות קליניים. לאחר sonication, המטוס טיפול בהפאנטום נסרק, הגבול של הנגע המשויך מופק מן התמונה הסרוקה. ניתן להעריך את הדיוק מיקוד על ידי מדידת המרחק בין המרכזים של היעד ואת הנגע, וכן שלושה פרמטרים נגזרות. שיטה זו בלבד אין אפשרות להעריך את הדיוק מיקוד של היעד המורכב מספר כתמים נקודתית ולא מקום מוקד יחיד בנתיב קרן הרלוונטית קלינית של מערכת בהדרגה, מערך USgHIFU, אבל זה יכול לשמש גם בהערכה פרה או תחזוקה שוטפת של מערכות USgHIFU מוגדר עם מתמר HIFU בהדרגה, מערך או עצמית ממוקדת.

Introduction

מערך מופע יותר ויותר תוכנן, מצוידים ב HIFU מערכות¹^,²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷. במערכות בהדרגה, מערך USgHIFU, מכשיר בדיקה הדמיה של ארה ב הוא רכוב בדרך כלל בתוך החור המרכזי של כדורית HIFU מתמר¹^,²^,⁸. החללית היא rotatable עבור שחזור מיקוד ותמונה ב מרחב תלת-ממדי⁹. פילוח מדויק נדרש עבור הבטיחות והיעילות של טיפול HIFU. עם זאת, רוב המחקרים על ההערכה של מיקוד דיוק בוצעו עבור מערכות HIFU מונחה תהודה מגנטית או מערכות USgHIFU בתצורה של עצמית ממוקדת HIFU מתמר¹⁰^,¹¹^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶. מטרת בשיטה המתוארת להלן היא להעריך את רמת הדיוק מיקוד ב מישור מוקד למערכות מערך מופע USgHIFU.

פנטום שריר/סמן-מוטבע שור לאורך השביל קרן הרלוונטית קלינית משמש בהערכה של דיוק מיקוד של מערכת בהדרגה, מערך USgHIFU קלינית. דגם מרובע עם ארבעה כדורים בפינות מפוברק, מוטבע, בשילוב עם שריר, לתוך הפאנטום שקוף. משושה רגיל נבחרה כיעד בהתבסס על העמדות של המרכזים של ארבעה כדורים זיהה בתמונת ארה ב המשוחזרת במישור הטיפול. לאחר HIFU sonications, המטוס טיפול של הפאנטום נסרק, הגבול של הנגע, כמו גם את העמדות של ארבעה כדורים, יכול להיקבע בתוך התמונה הסרוקה. ניתן להעריך את הדיוק מיקוד על ידי מדידת המרחק בין המרכזים של היעד ואת הנגע, וכן שלושה פרמטרים נגזרות.

השיטה היא פשוטה יותר המדידה של השגיאה מיקוד באמצעות תנועה רובוטית הפניה ספציפית אובייקט¹¹^,¹⁷^,¹⁸ , רלוונטי יותר קלינית לעומת השיטה המבוסס על מוקד יחיד אבלציה ספוט ב דמה הומוגנית של¹⁰. בשיטה זו ניתן להשתמש בהערכה של דיוק USgHIFU מערך מופע מערכות מיקוד. זה יכול גם לשמש עבור מערכות אחרות-USgHIFU מצוידים מתמרים HIFU עצמית ממוקדת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. סמן עיצוב, ייצור

עיצוב דגם מרובע באמצעות תוכנת תכנון בעזרת מחשב. הגדר כל צד כמו מקלות עם האורכים של 40 מ מ, עוביים של 2 מ מ. המקום כדור מוצק בקוטר 10 מ מ בכל פינה של דגם מרובע.
להשתמש בוטאדיאן טבעי styrene פוטוסנסיטיבית שרף החומר להדפסה.
לשלוח את הקובץ דגם התלת-ממד היצרן עבור ייצור.

2. הכנה פנטום

לצרף גליל פלסטיק עם (בקוטר של 8 ס מ), בגובה של 3 ס מ בסיס אקרילי עם סיליקה ג'ל כדי להפוך בעל פנטום בטמפרטורת החדר. . תן לזה לנוח לשעה.
פורסים שריר טרי לצורת ריבוע (30 מ מ x 30 מ מ, עם עובי של 10 מ מ). ותאוורר זה עבור 2 h מתמוססות לחות
יוצקים מים degassed יונים (115 מ ל) בגביע, להוסיף בסול 13 של אקרילאמיד ומערבבים עד התפרקה. מוסיפים 0.24 גר' bis-אקרילאמיד ומערבבים עד התפרקה. לאחר מכן, הוסף 0.2 מ"ל של N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine ומערבבים בצורה אחידה.
הערה: לבשתי כפפות מסיכה וגומי.
להכין 5 מ של מים degassed יונים בתוך אחרת, להוסיף 0.3 g של קירור, ומערבבים כדי להמיס.
התראה: אקרילאמיד, bis-אקרילאמיד, N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine ולאחר קירור הם רעילים. שימו לב ולהימנע מגע פיזי.
במרוכז למזוג 40% של הפתרונות של שלבים 2.3 ו- 2.4 לתוך המחזיק פנטום, ומערבבים 5 s. תן את התערובת במשך 20 דקות לממש.
במקום דגם מרובע מודפס 3D על פני השטח של הפאנטום הקרושה והניח את שריר הפרוס באמצע הדגם. יוצקים את שארית הפתרון משלב 2.3 לתוך המחזיק פנטום. הזז את שריר הלוך ושוב כדי להסיר את האוויר בין הממשק של הפאנטום הפרוסה.
לשפוך שאר הפתרון המבושלות לתנוחת 2.4 המחזיק פנטום, ומערבבים 5 s.
כוונון המיקום של שריר שור הפרוס למרכז של הפאנטום לאורך בכיוון רוחבי. . תן לזה לנוח למשך 20 דקות לגבש את הפאנטום.
הסר את סיליקה ג'ל בין גלילי פלסטיק אקרילי לציפוי עץ, באמצעות מברג.
נתנתק לאט הפנלים אקרילי של גלילי פלסטיק.

3. התקנה של מערכת USgHIFU

להפעיל את מערכת USgHIFU קלינית.
להפעיל את המודול מים עיבוד, לקבוע את מהירות זרימת המים ב- 80 סיבובים לדקה.
למלא את מיכל המים גלילי אקריליק (בקוטר של 30 ס מ), בגובה של 13 ס מ במים degassed בטמפרטורת החדר (22-25 ° C).
המקום בעל פנטום לתוך המים degassed ותקן המחזיק בחוזקה.
להזיז את הטנק גלילי מים אל המיטה טיפול. הרם את המיטה טיפול, הזז למטה יחידת טיפולית לתוך המים degassed.

4. ארה ב מונחה הכוונת

להזיז את יחידת טיפולית לאט לאט למעלה ולמטה כדי לוודא כי העומק של המטוס טיפול ממוקם ב הממשק העליון של שריר הפרוס, פנטום שקוף בתמונה בארה ב.
לסובב את המכשיר הדמיה ארה ב כדי 0° ולהעביר מיכל גלילי המים כדי להפוך את ציר מסתובב (המכונה גם ציר הדמיה) עוברים נקודת האמצע של שני מקלות מקבילים בתמונה בארה ב.
לסובב את החללית הדמיה כדי 90° ולהעביר מיכל גלילי המים כדי להפוך את ציר מסתובב עוברים נקודת האמצע של שני מקלות מקבילים בתמונה בארה ב.
לשחזר את התמונה ארה במישור הטיפול בעומק של המוקד גיאומטריים.
בדוק אם בארבעה הכדורים מוצגים באופן ברור בתמונה המשוחזרת ארה ב בין אם המטרה הינו ממוקם במרכז של דגם מרובע.
הערה: מרכז המטרה היא מראש במרכז התמונה המשוחזרת. הכדור נקבעת על ידי עיגול בקוטר 10 מ מ, הערך אפור הממוצע אשר הוא הגבוה ביותר 15 מ מ x 15 מ מ מרובע. המרכז של דגם מרובע נקבעת על ידי האלכסון של ארבעה כדורים בתמונה המשוחזרת.
להזיז את הטנק מים לפי המיקומים היחסיים בין המטרה לבין השלבים מרובע דגם, ולחזור 4.4 ו 4.5.
הרם את יחידת טיפולית ולשים את השריר חזיר עם עובי של בסביבות 30 מ מ מעל הפאנטום. לאחר מכן, להזיז למטה יחידת טיפולית עד לעומק של המוקד גיאומטריים 3 מ מ מתחת לפני השטח העליון של שריר שור הפרוס.
הערה: התיקון מוקד של 3 מ מ לאורך השביל קרן מוערך על-פי עובי השריר החזירים מבוסס על נוסחה אמפירית המחקר הקודם¹⁹.

5. HIFU sonication

בחר את הפרמטרים sonication הבאים: משך פעימה (400 ms), מחזור הדפסה (80%), אקוסטית כוח (400 W) וקירור זמן בין sonication המקומות מוקד רצופים (30 s).
להגדיר את זמן החשיפה המקומות מוקד היעד.
1. חזור על הפעולות לכל שלוש מטרות משושה קונצנטריים רגיל עם אלכסונים בהתאמה פעמים חשיפה הגדרת 5.4 מ מ, 9 מ מ ו- 12.6 מ"מ. של 2.0 s, 2.5 s, ו- 3.0 s עבור המקומות מוקד הממוקמת המשושה הפנימי, האמצעי, החיצוני, בהתאמה, ו- 2.0 s foc al ספוט במרכז גיאומטרי מערך מופע.
להתחיל את sonication ושימי רגל אחת על דוושת רגל עבור HIFU sonication.
להתבונן השינוי של echogenicity בתמונה בארה ב עד השלמת את sonications.

6. הערכת הדיוק מיקוד של מערכת בהדרגה, מערך USgHIFU

להביא בעל פנטום, והקש בצורה חלקה הפאנטום לקחת את זה.
לפצל את הפאנטום לאורך המטוס טיפול באמצעות סכין.
סרוק את המטוס טיפול של הפאנטום המכיל את שריר הפרוס.
לעבד את התמונה הסרוקה באמצעות תוכנה מתמטית ולחלץ את גבולות היעד ואת הנגע.
לחשב את המרחק intercenter d_c מחטיאים מקסימלי של היעד גבול d_b.
הערה: d_c הוא המרחק בין המרכזים של המטרה שלה הנגע בהתאמה. d _b היא מקסימלית מחטיאים את המרחק בין הגבול של הנגע מטרתה בהתאמה.
לחשב את היחס שבין האזורים של הנגע בתוך ומחוץ המטרה אל אזור היעד כמו η_אני = (∩_AS S_P) / S_P η_O = (S_A - S_A∩ S_P) / S_P, בהתאמה.
הערה: S_P מציינת אזור המטרה, S_A מייצג את האזור הנגע.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

עשינו פאנטום המוקדש הערכת הדיוק מיקוד של מערכת בהדרגה, מערך USgHIFU קלינית עם המטרות של שלושה גדלים שונים. איור 1 מציג את התמונה ארה ב בזווית של 0 °, 90 °. הממשקים ברורה, המקלות של דגם מרובע בהירים של תמונות ארה ב. איור 2 מדגים את התמונה ארה ב המשוחזרת המטוס הטיפול ואת המקומות מוקד של המטרה הגדולה. המרכזים של ארבעה כדורים נקבעו על ידי העיגולים הכחולים באותו גודל עם הערך הגבוה ביותר אפור בממוצע. איור 3 מראה את התמונות הסרוקות של המטוס טיפול של הפאנטום, את גבולות חילוץ של מטרות, נגעים.

היינו יכולים להעריך את הדיוק מיקוד ב מישור מוקד על פי הפרמטרים d_c, d_b, η_אני, η_O שהוגדרו בסעיף 6 של הפרוטוקול. הניסויים היו חוזר על עצמו שלוש פעמים עבור כל מטרה. התוצאות מוצגים טבלה 1-

איור 1 : ארה ב תמונות בזוויות של 0° ו 90°- עובי השריר החזירים היה בסביבות 30 מ מ. ניתן להבחין את הממשקים רקמות-פנטום-רקמת לאורך השביל קרן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 2 : שיחזר תמונה ארה במישור הטיפול. העיגולים הכחולים (עם הערך הגבוה ביותר הממוצע אפור אדום מקווקו המשבצות) לקבוע את העמדות של ארבעה כדורים, המרכז של דגם מרובע, אשר גם הוא המרכז של המטרות (הנקודה האדומה). הריבועים חום כהה מציינים את נקודות מוקד המטרה הגדולה ביותר משושה רגיל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3 : סריקת תמונות של הגבולות של מטרות שונות לאחר HIFU sonication- (א) נגעים של המטרות שלושה עם קווים אלכסוניים של 5.4 מ"מ, 9 מ מ ו- 12.6 ממ משמאל לימין. (B) שחולצו גבולות של שלוש המטרות (כחול), נגעים תואם (שחור). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

אלכסון של משושה רגיל (מ מ)	d _c (מ מ)	d _b (מ מ)	Η _{. אני}	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%

טבלה 1: סיכום של פרמטרים כדי להעריך את רמת הדיוק מיקוד- הערכים של d_c, d_b, η_אני η_O שבאו לידי ביטוי כמו הממוצע ± סטיית התקן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

רכיבים רובוטית שימשו עבור מערכות USgHIFU בעיות. כדי להעריך את הדיוק מיקוד של מערכות כאלה, הפניה סמני¹¹^,¹²^,¹⁸, רקמות במבחנה¹⁷הגידול-לחקות מודלים, הרגיש פאנטום שימשו לבד או בשילוב¹⁰^,²⁰. לעומת הפרוטוקולים במחקרים האלה, שיטה זו רלוונטית יותר קליניות ומקלה לכמת את השגיאה מיקוד ב מישור מוקד. על ידי שילוב של סמן הפניה עם הפאנטום הטרוגנית, שקוף, שיטה זו שונתה ממחקר אחר לשם הערכת הדיוק מיקוד של מערכת USgHIFU מכוון השד סרטן אבלציה²¹. אימתנו את היעילות של שיטה זו עם המערכת שלנו בהדרגה, מערך USgHIFU בשימוש על מיומות המחקר הקודם²². ערכנו בדיקות ללא תיקון מוקד לאורך הנתיב בים, רק חלק קטן (~ 2 מ מ אורך) של הנגע נמצאה בשריר שור הפרוס. לאחר התיקון מוקד מבוסס על נוסחה אמפירית¹⁹, הנגע (~ 5 מ מ אורך) נמצאה בשריר שור הפרוס, אשר אישרה את השיפור בדיוק מיקוד לאורך השביל קרן. יתר על כן, הערכת מיקוד דיוק ב מישור מוקד הוא בעל ערך מעשי יותר לעומת השיטות מכוון את הדיוק של מקום מוקד יחיד עבור אבלציה גידולים מוצקים.

הבחירה של שריר הופך את הנגע ניתן להבחנה ברורה מן הרקמה שמסביב לעומת נגעים שנוצרו בשרירי חזירי או עוף אבלציה HIFU במבחנה. ביצוע של פאנטום שור שקוף שריר/סמן-מוטבע הוא קריטי עבור פרוטוקול שלם של הערכת הדיוק מיקוד של מערכת בהדרגה, מערך USgHIFU. בנוסף, הקביעה של המרכזים של המטרה ודגם מרובע חופפים חיוני במסגרת ההליך הערכה; לפיכך, המיקום של הצרכים פנטום יותאם. לבן מחצה תוך שרירית בשריר שור הפרוס הופך את פילוח הסף מספיקות לחלץ את הגבול הנגע מן התמונה הסרוקה; לכן, פילוח ידני אמור לשמש בעת הצורך.

עדיין יש מגבלות על פרוטוקול זה. מחקר זה נועד עבור הערכת מיקוד דיוק ב מישור מוקד בלבד, הוא ישים למערכות בהדרגה, מערך USgHIFU. עם זאת, עבור מערכות USgHIFU עם מתמר עצמית ממוקדת, צעדים 4.2-4.4 של הפרוטוקול צריך להיות מתוקן. התמונה ארה במישור הטיפול יכול יורכבו דרך התמונות נרכשה על ידי מתרגם את החללית הדמיה של ארה ב במקום על-ידי סיבוב, הפרוטוקול בשלבים אחרים נותר ללא שינוי. ההערכה המדויקת של מיקוד דיוק עשוי להועיל בעת ניסיון להפחית את מקדם הביטחון להגביר את עוצמת אבלציה, אשר היה לשפר את יעילות הטיפול. יתר על כן, שיטה זו יכולה לשמש את אבטחת איכות של HIFU נהיגה מערכת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ג'י ש'יאנג הוא יועץ בתשלום עבור Zhonghui טכנולוגיה רפואית (שנגחאי) ושות', בע מ המחברים האחרים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו בתמיכתם באופן חלקי את נבחרת מדעי הטבע קרן של סין (81402522), שנגחאי מפתח טכנולוגיה ופיתוח (17441907400) מן המדע, הטכנולוגיה עמלה של עיריית שנגחאי, והוא אוניברסיטת ג'יאו טונג שאנגחאי קרן מחקרים הנדסה רפואית (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui טכנולוגיה רפואית (שנגחאי) ושות', בע מ הוא הודה גם למתן את המערכת USgHIFU. המחברים מודים דז'ו Wenzhen, Junhui דונג על ההכנה פנטום וסיוע שלהם בניסויים.

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