Abstract
谐运动成像的聚焦超声（HMIFU）是可以执行和监控高强度聚焦超声（HIFU）消融的技术。的振荡运动在一个93元件和4.5兆赫中心频率的HIFU换能器的焦点通过使用函数发生器施加25赫兹振幅调制的信号生成的。与68kPa峰值压力64元件和2.5兆赫成像换能器被共焦地放置在HIFU换能器获取的射频（RF）信道数据的中心。在这个协议中，使用高强度聚焦超声与对体外犬肝7瓦的声功率热消融的实时监控进行说明。在2分钟HIFU治疗被施加在组织上和烧蚀区域是使用发散或平面波成像高达1000帧/秒成像实时。的RF信道的数据的矩阵乘以一个稀疏矩阵图像重建。视重建场是90°的发散わ已经和20毫米的平面波成像和数据进行采样，在80兆赫。重建是在4.5显示帧速率上的图形处理单元（GPU）执行，以图像在实时的。重构RF数据的一维归一化互相关性被用于估计轴向位移在焦点区域。的峰 - 峰位移的在焦深幅度它表示所述组织的硬化由于病灶的形成热消融过程中降低。位移信噪比（SNR D）在重点领域的平面波是比发散波显示出平面波成像的1.4倍似乎产生更好的置换贴图质量HMIFU比发散波成像。
Protocol
该协议被批准哥伦比亚大学的机构动物护理和使用委员会。所有的数据采集和处理用Matlab环境执行。
1.实验装置
- 在90分钟的脱气离体犬肝脏样本。把肝脏样品中的填充有脱气磷酸盐缓冲溶液（ 图1）罐。固定在一个声吸收用针在肝脏的四肢的肝样品。
- 通过一个圆孔位于93元半球阵列HIFU换能器（治疗）的中心，在4.5 MHz的中心频率的70 mm焦距的深度和插入64元0.32毫米间距，2.5 MHz的中心频率相控阵（成像） 1.7毫米×0毫米焦距的大小11。对齐两个传感器同轴和修复成像传感器到治疗换能器的调整螺丝。
- 盖上HIFU换能器与AVolume控制聚氨酯膜填充有流动的脱气的水来冷却下来。安装在一个计算机控制的3-D定位的换能器组件。
- 的HIFU换能器连接到功能发生器发送具有500毫伏最大振幅为25赫兹的调幅正弦波形。成像传感器连接到使用Matlab软件完全可编程超声系统。
注意：用超声系统相关联的软件和利用Matlab环境必须连接到系统中的计算机上。将50 dB的RF放大器和匹配网络应当放置在HIFU换能器与函数发生器分别放大功率并匹配的阻抗之间。 - 创建一个极性的网格，用Matlab，开始从阵列的表面50毫米和40毫米深的在径向方向上具有9.625微米，90°，128线和哪些原点的空间的步骤在方位角方向是FOCUS发散波。限定的发散的波10.24毫米源（孔径大小的一半）的阵列的表面的后面，并集中在横向方向上。
- 创建一个笛卡尔网格，用Matlab，开始从阵列的表面50毫米和40毫米深在与9.625微米，宽20毫米，与64线，为平面波的左右方向的空间的步骤的轴向方向。限定所述阵列的表面上的平面波的来源。对于每一个网格，计算从源的时间的每个点的网格和背面到阵列中的每个元素。
- 输入“ReconMat_DW”的发散波成像或“ReconMat_PW”在MATLAB命令窗口平面波成像，然后按“Enter”来创建一个标准的延迟与求和算法，每个网格相关的重建矩阵。申请延迟与求和算法的标准基础的每个矢量和检索所述非零点的Elemen所得矩阵 11的TS。分配从所得矩阵获得的稀疏矩阵的相应位置中的非零元素。保存在电脑硬盘上的重建矩阵。
注意：发散和平面波的方法使用两个不同的重建矩阵。- 铸造重建矩阵到GPU矩阵。输入“SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW”的发散波成像或“SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW”在Matlab的命令窗口，然后按“Enter”来创建使用相控阵由制造商相关的并脚本超声通道数据采集设置文件平面波成像的超声系统。命名安装文件“P4-2Flash_DivergingWave.mat”的发散波成像和“P4-2Flash_PlaneWave.mat”的平面波成像。
注：商业软件包，必须在电脑•安装Ø投重建稀疏矩阵到GPU矩阵。
- 铸造重建矩阵到GPU矩阵。输入“SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW”的发散波成像或“SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW”在Matlab的命令窗口，然后按“Enter”来创建使用相控阵由制造商相关的并脚本超声通道数据采集设置文件平面波成像的超声系统。命名安装文件“P4-2Flash_DivergingWave.mat”的发散波成像和“P4-2Flash_PlaneWave.mat”的平面波成像。
- 使高帧速率的超声数据采集的肝脏开始同时作为HIFU超声系统使用外部触发函数发生器同步。
- 打开Matlab的。运行安装脚本“SetUpP4_2Flash_4B.m”由超声系统制造商使用B模式成像提供。命名创建的安装文件：“P4-2Flash_4B_Bmode.mat”。使用“VSX”命令，在“.MAT文件要处理的名称：”提示，输入安装文件“P4-2Flash_4B_Bmode.mat”的名称。移动这两个换能器，并使用B模式显示该出现在计算机屏幕上，以它们在肝脏消融的目标区域放置。目标的区域中的肝脏表面下大约1cm，以避免高超声波衰减因吸收。保存在计算机上的肝脏的常规B模式图像。
注意：在这里，我们两个肝标本进行高强度聚焦超声消融在11个不同的位置通过移动换能器与所述3D定位器为每个消融。
2.超声数据采集
- 打开Matlab的。使用“VSX”命令，在“.MAT文件要处理的名称：”提示，输入安装文件“P4-2Flash_DivergingWave.mat”的名称发散波成像或“P4-2Flash_PlaneWave.mat”的平面波成像。启动HIFU和2分钟的目标区域中应用它。
- 在使用发散波2分钟收购以每秒1000帧的RF信道的数据。另外，在2分钟利用平面波收购以每秒1000帧的RF信道的数据。
- 通过PCI特快电缆将数据传输到主计算机每200帧。或者，对于实时流，使用平面波和TRANSF期间2分钟获取以每秒167帧的RF信道的数据器中的数据到主计算机的每2帧。
注：带套200帧的成像方法提供了每套之间的每个设置，但创造的间隙内高时间分辨率，适用于离线处理。在167 fps的影像处理方法具有较低的时间分辨率，但不创建整个消融时间的任何间隙，并且非常适合实时流。 - 铸造RF信道的数据矩阵与Matlab的单精度GPU矩阵。由重建矩阵相乘RF信道的数据矩阵，以获得重建的RF数据11。
3.排量成像
- 创建一个6 阶 Butterworth低通于4 MHz的截止频率利用Matlab的DSP系统工具箱过滤器。应用此低通滤波器，以重构RF数据来过滤掉4.5兆赫HIFU组件。
- 估计使用一维归一化互相关的连续帧之间的轴向位移用3.1毫米窗口长度和90％的重叠。
- 创建一个6 阶 Butterworth低通在100赫兹的截止频率利用Matlab的DSP系统工具箱过滤器。用Matlab检索50赫兹振荡频率分量应用此低通滤波器的时间位移的数据。
- 定义感兴趣区域（ROI）的区域作为在-6分贝焦点区域（1.7×0.4毫米，在水中）和位于70毫米背离换能器表面。在提取该ROI的位移数据。消融2分钟作为平均位移和在ROI的位移的标准偏差之间的比率后估计在焦点区域中的位移信噪比（SNR d）所示。
- 提取50赫兹时间位移信号在从位移矩阵数据的焦点。时间位移信号转换的重点放到利用Matlab可听见的声音。
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Representative Results
可以用发散和平面波成像获得HMI排量的实时流期间，高强度聚焦超声消融治疗。 图2是在高强度聚焦超声消融视频截屏显示使用平面波成像技术在体外犬肝脏的声辐射力引起的位移实时显示。的位移以4.5赫兹的显示帧速率流在实时计算机屏幕上。正位移示于红色和负位移为蓝色。病变使用HIFU消融。 图3示出对应于图2的消融后在肝脏中获得的病变被成功交付。
HMI峰值负位移幅度在高强度聚焦超声消融术可以降低成像既发散和平面波成像。 图4显示了 HMI负峰值位移与发散和平面波消融的不同阶段成像。高峰负位移示既没有和有覆盖的B模式更清楚地看到的位移图案和分别地看到目标区域在肝脏中。对应于与平面波（图4C）监测消融的50赫兹的HMI位移声音被合并到视频。 HMI位移振幅由于消融的降低可以被听到，提供了附加的监测工具。 图4也表示该区域的消融。 图5A中兴奋HIFU增加且尺寸5B示出了HMI位移在焦点区域期间分别消融发散和平面波。在HMI位移幅度的降低是既为发散和平面波成像清晰可见。 图6示出了峰-峰值位移降低在肝脏既为发散所有的定位位置（图 6A），面（ 图6B）波成像。的峰 - 峰位移减少为平面波是不显著不同的发散波获得的之一。
平面波成像被发现具有较高的SNRð在焦点比发散波成像。 图7示出了信噪比d在 ROI中在肝脏所有病灶的位置为发散（图7A）和平面（图7B）波成像。平均信噪比d表示飞机比发散波成像的1.7倍。
图1实验装置。该HMIFU系统（A）表示。 （二）图片的实验装置。OM /文件/ ftp_upload / 53050 / 53050fig1large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。
图2.实时HMI位移。捕获表示在一个犬的肝脏在4.5Hz显示帧频的高强度聚焦超声消融HMI位移与平面波成像的实时流媒体在电脑屏幕上。左侧面板显示过滤HMI位移和右手边的面板显示覆盖在肝脏的预消融B型过滤的HMI位移。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3.病变引起的HIFU，图片下面HIFU治疗病变的中间截面。 请点击此处查看该图的放大版本。
图4发散和位移的平面波成像。在使用发散波，没有B型叠加（A）犬肝脏高强度聚焦超声消融峰值负HMI位移成像，与B型叠加（B），采用平面波成像无B模式叠加（C）中，用B模式叠加（D）中。对应于与平面波监测（图4C）被合并到视频消融的50赫兹的HMI位移声音。P租赁点击此处查看该图的放大版本。
在使用发散HIFU消融（A）和飞机（B）浪成像图5. HMI焦点位移。HMI排量在焦点区域。 请点击此处查看该图的放大版本。
图6.峰-峰值的位移减少。峰-峰值位移在下降过程中高强度聚焦超声消融采用发散（ 一）聚焦区和平面（B）波成像。 请点击此处查看该图的放大版本。
图7.位移信噪比，在焦点位移信噪比为发散（A）和飞机（B）浪成像不同消融位置。 请点击此处查看该图的放大版本。 。
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Discussion
HIFU病变的实时监控是非常重要的，以确保适当和有效的病变交付。作为病变形式中，组织变硬和下激励它的运动幅度减小。施加在HIFU的组织的结果的区域中诱导组织位移的声辐射力。在位移的相对变化是组织硬度相对变化的替代。这种技术提供监测HIFU病变不停止在与其它超声基础的方法治疗的优点。在这项研究中（4.5赫兹）的实时监测的时间分辨率比在MR引导HIFU消融（1赫兹）中获得更高。
的超声射频数据的快速处理是用于位移的实时流的关键步骤。图像的重建是处理最慢的步骤。在这个协议中，图像重建的速度进行优化通过获得整个帧USI纳克单个操作。这个操作包括在由以矩阵的RF信道数据相乘。矩阵的唯一的非零元素被分配，以优化计算时间和
乘法是在GPU上执行的。一种快速的1-D标准化的互相关方法被用来估计的位移。的80％的窗口的重叠允许良好折衷的计算时间和位移的图像的轴向分辨率之间。
所述发射波束成形的方法，也可以影响位移的图像的质量。 信噪比天得到了发现显著较低发散比使用两样本t检验平面波成像。位移的幅度也较低发散比平面波成像。这可以通过以下事实的发散波的轴线方向不与在整个ROI内HIFU射束对准由于波在扩散性质来解释相对于平面波。找到病变＃3的较低的峰 - 峰位移减少为发散波成像可能是由于一个容器中的大体病理后观察到的病变的中心的存在。找到病变＃4对平面波成像的低信噪比D可以由于焦点到肝脏的表面附近。它也必须要注意的是，衰减由于几何扩散在横向方向上产生的发散波，而不是为平面波可影响运动估计的质量。然而，使用相同的超声换能器时，发散的波成像提供的视图，而不是平面波成像更大的字段，它是感兴趣的连续图象的区域的最大部分以烧蚀。
在这个协议中，相控阵列被用于图像，使得烧蚀区域的仅一个横截面进行成像的位移。甲的2-D阵列传感器可用于图像吨该消融区的，他整个卷。在肝脏的不同位置消融通过移动相对于肝换能器来实现的。波束控制可以用高强度聚焦超声探头执行为目标的区域的不同位置进行处理，以允许更适当的定位。除了上述的技术改进，未来的方向包括该方法的临床平移。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| P4-2 Phased array | ATL | ||
| H-178 HIFU transducer | Sonic Concepts | ||
| 3-D positioner | Velmex Inc. | ||
| AT33522A function generator | Agilent Technologies | ||
| V-1 ultrasound system | Verasonics | ||
| 3100L RF amplifier | ENI | ||
| Matching network | Sonic Concepts | ||
| Degasing system | Sonic Concepts | ||
| Programming software | Matlab | ||
| Jacket software package | Accelereyes |
References
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