Abstract
Harmonic Motion Imaging for fokusert ultralyd (HMIFU) er en teknikk som kan utføre og overvåke høy intensitet fokusert ultralyd (HIFU) ablasjon. En oscillerende bevegelse blir generert i fokus for en 93-element og 4,5 MHz senterfrekvens hifu transduktor ved å anvende en 25 Hz amplitude-modulerte signal ved hjelp av en funksjonsgenerator. En 64-element og 2,5 MHz bildebehandling svinger med 68kPa topptrykket er confocally plassert i sentrum av HIFU svinger til å overta radio-frekvens (RF) kanaldata. I denne protokollen, er sanntids overvåking av termisk ablasjon bruker HIFU med en akustisk kraft av 7 W på canine lever i vitro beskrevet. HIFU behandling anvendes på vevet i løpet av 2 minutter og ablateres region er avbildet i sanntid ved hjelp av avvikende eller plan bølge avbildning opp til 1000 bilder / sekund. Matrisen til kanaldata RF multipliseres med en glissen matrise for bilde gjenoppbygging. Den rekonstruerte synsfelt er på 90 ° for divergerende wave og 20 mm for plan bølge avbilding og dataene er samplet på 80 MHz. Rekonstruksjonen er utført på en grafisk Processing Unit (GPU) for å bildet i sanntid på en 4,5 skjerm frame rate. 1-D normalisert krysskorrelasjon av den rekonstruerte RF informasjonen blir brukt til å estimere aksielle forskyvninger i fokalområdet. Størrelsen av den spiss-til-spiss forskyvningen ved brenn dybde avtar under den termiske ablasjon som betegner avstivning av vevet som følge av dannelsen av en lesjon. Forskyvningen signal-til-støy-forhold (SNR d) ved fokusområdet for planbølge var 1,4 ganger høyere enn for avvikende bølge som viser at plan bølge avbildning som synes å gi bedre forskyvning kart kvalitet for HMIFU enn divergerende bølge imaging.
Protocol
Denne protokollen ble godkjent av Institutional Animal Care og bruk Committee of Columbia University. All datainnsamlings- og prosesserings ble utført ved anvendelse av Matlab miljø.
1. Eksperimentell Set-up
- Degas en ex vivo canine leverprøve under 90 min. Sett leverprøve i en tank fylt med avgasset Fosfatbufret Solution (figur 1). Fest leverprøve på en akustisk absorber med nåler på ekstremiteter i leveren.
- Sette inn en 64-element, 0,32 mm pitch, 2,5 MHz senterfrekvens faset array (imaging) gjennom et sirkulært hull som ligger i midten av en 93-elements halvkuleformede matrise hifu transduser (terapeutisk) ved 4,5 MHz senterfrekvens, 70 mm fokusdybde og 1,7 mm x 0,4 mm brennvidde størrelse 11. Juster begge transdusere co-aksialt og fikse bilde svinger inn i terapeutisk svinger med justeringsskruer.
- Dekk HIFU svinger med avKanonvolumet styrt polyuretanmembran fylt med rennende avgasset vann for å kjøle det ned. Monter svingerenheten på en datastyrt 3-D positioner.
- Koble HIFU svinger til en funksjon generator å sende en 25 Hz amplitudemodulert sinusbølgeform med 500 mV maksimal amplitude. Koble bildebehandling svinger til en fullt programmerbar ultralydsystem ved hjelp av programvaren Matlab.
Merk: En programvare forbundet med ultralydsystemet, og ved hjelp av Matlab miljøet må være installert på datamaskinen som er koblet til systemet. En 50 dB RF-forsterker og et tilpasningsnettverk bør plasseres mellom HIFU transduseren og funksjonsgeneratoren til henholdsvis forsterke kraften og tilpasse impedansen. - Lag en polar gitter, ved hjelp av Matlab, som starter 50 mm fra overflaten av matrisen og 40 mm dypt i radial retning med en romlig trinn med 9,625 um og med 90 ° i asimut-retning med 128 linjer og hvilken opprinnelse er focus av divergerende bølgen. Definerer kilden til den divergerende bølge 10,24 mm (halvparten av størrelsen av åpningen) bak overflaten av matrisen og sentrert i sideretningen.
- Lag et kartesisk gitter, ved hjelp av Matlab, som starter 50 mm fra overflaten av matrisen og 40 mm dypt i aksial retning med en romlig trinn med 9.625 mikrometer og 20 mm bred i sideretningen med 64 linjer for den plane bølge. Definerer kilden til den plane bølge på overflaten av matrisen. For hver rute, beregne tiden fra kilden til hvert punkt av nettet og tilbake til hvert element i gruppen.
- Enter "ReconMat_DW" for avvikende bølge avbilding eller "ReconMat_PW" for plan bølge avbilding i Matlab kommandovinduet og trykk "Enter" for å lage en rekonstruksjon matrise forbundet med en standard forsinkelse-og-sum algoritme for hver rute. Påfør forsinkelses og sum-algoritme til hver vektor av standard basis og hente de ikke-nuller elets av den resulterende matrisen 11. Fordele de ikke-null elementer hentet fra den resulterende matrisen til sparsom matrise på den tilsvarende plasseringen. Lagre rekonstruksjon matrise på datamaskinens harddisk.
Merk: divergerende og plane bølge metoder bruker to forskjellige gjenoppbygging matriser.- Cast gjenoppbygging matrise i en GPU matrise. Enter "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" for avvikende bølge avbilding eller "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" for plan bølge avbilding i Matlab kommandovinduet og trykk "Enter" for å lage en setup-filen for ultralyd kanalen datainnsamling ved hjelp av script forbundet med faset array og gitt av produsenten av ultralydsystemet. Navn installasjonsfilen "P4-2Flash_DivergingWave.mat" for divergerende bølge avbilding og "P4-2Flash_PlaneWave.mat" for plan bølge bildebehandling.
Merk: En kommersiell programvarepakke må være installert på datamaskinen to kastet gjenoppbygging sparsom matrise i en GPU matrise.
- Cast gjenoppbygging matrise i en GPU matrise. Enter "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" for avvikende bølge avbilding eller "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" for plan bølge avbilding i Matlab kommandovinduet og trykk "Enter" for å lage en setup-filen for ultralyd kanalen datainnsamling ved hjelp av script forbundet med faset array og gitt av produsenten av ultralydsystemet. Navn installasjonsfilen "P4-2Flash_DivergingWave.mat" for divergerende bølge avbilding og "P4-2Flash_PlaneWave.mat" for plan bølge bildebehandling.
- Synkronultralydsystem med funksjonsgeneratoren ved hjelp av en ytre utløser, slik at høy bildehastighet ultralyd datainnsamling fra leveren begynner samtidig som hifu.
- Åpne Matlab. Kjøre setup script "SetUpP4_2Flash_4B.m" gitt av ultralydsystemet produsenten å bruke B-mode bildebehandling. Navngi opprettet installasjonsfilen: "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Bruk "VSX" kommandoen, og når "Navn på .mat filen til prosessen:" blir bedt om det, skriver du inn navnet på installasjonsfilen "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Flytt både givere og bruke B-mode display som dukket opp på skjermen for å plassere dem i den målrettede regionen i leveren til ablate. Målrette et område omtrent 1 cm under overflaten av leveren for å unngå høye ultralyd dempning på grunn av absorpsjon. Lagre en vanlig B-mode bilde av leveren på datamaskinen.
notat:Her utførte vi HIFU ablations på 11 forskjellige steder i to leverprøver ved å flytte transdusere med 3-D positioner for hver ablasjon.
2. Ultralyd Data Acquisition
- Åpne Matlab. Bruk "VSX" kommandoen, og når "Navn på .mat filen til prosessen:" blir bedt om det, skriver du inn navnet på installasjonsfilen "P4-2Flash_DivergingWave.mat" for avvikende bølge avbilding eller "P4-2Flash_PlaneWave.mat" for plan bølge bildebehandling. Start HIFU og bruke den under 2min til målrettede regionen.
- Erverve RF kanaldata på 1000 bilder per sekund i løpet av 2 min hjelp divergerende bølger. Alternativt erverve RF kanaldata på 1000 bilder per sekund i løpet av 2 min ved hjelp av plane bølger.
- Overføre dataene til en vertsmaskin hver 200 rammer via en PCI express kabel. Alternativt, for real-time streaming, erverve RF kanaldata på 167 bilder per sekund i løpet av 2 min ved hjelp av plane bølger og TRANSFer dataene til en vertsmaskin hver 2 rammer.
Merk: det imaging metoder med sett av 200 rammer gir høy tidsoppløsning innen hvert sett, men skaper mellomrom mellom hvert sett, og er egnet for off-line prosessering. Avbildningsmetode på 167 fps har en lavere tidsmessig oppløsning, men oppretter ikke noen hull i hele ablasjon tid og er egnet for sanntids streaming. - Kast RF-kanal data matrise til en enkelt presisjon GPU matrise med Matlab. Multipliser RF-kanal data matrise av rekonstruksjonen matrise for å få de rekonstruerte RF data 11.
3. Displacement Imaging
- Lag en 6 th orden Butterworth lavpassfilter ved 4 MHz cutoff frekvens ved hjelp av DSP System Toolbox for Matlab. Bruk denne lavpassfilter til de rekonstruerte RF data til å filtrere ut 4,5 MHz HIFU komponent.
- Estimer den aksiale forskyvning mellom etterfølgende rammer ved hjelp av en D-normaliserte krysskorrelasjonsmed et 3.1mm-vinduslengden og 90% overlapping.
- Lag en 6 th orden Butterworth lavpassfilter ved 100 Hz cutoff frekvens ved hjelp av DSP System Toolbox for Matlab. Bruk denne lavpassfilter til de timelige fortrengnings data ved hjelp av Matlab for å hente den 50 Hz-svingningsfrekvens komponent.
- Definere en region av interesse (ROI) som fokalområdet på -6 dB (1,7 x 0,4 mm i vann) og ligger 70 mm fra svingerflaten. Pakk de fortrengnings data i denne avkastningen. Estimer forskyvning signal-til-støy-forhold (SNR d) i det fokale området etter 2 min av ablasjon som forholdet mellom den midlere forskyvning og standardavviket for forskyvning i ROI.
- Ekstraher den 50 Hz tidsmessige forskyvning signal i fokus fra forskyvning matrisedata. Konverter tinning forskyvning signal i fokus i hørbar lyd ved hjelp av Matlab.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Real-time streaming av HMI forskyvning under HIFU ablasjon kan oppnås ved hjelp av divergerende og plan bølge avbilding. Figur 2 er en video skjermen fange viser real-time visning av akustisk stråling kraft indusert forskyving med plan bølge avbilding i in vitro canine lever under HIFU ablasjon . Forskyvningene er streamet i sanntid på skjermen på en skjerm bildefrekvens på 4,5 Hz. Positive forskyvninger er vist i rødt og negative forskyvninger i blått. Lesjoner ble levert ved hjelp av hifu ablasjon. Figur 3 viser lesjon oppnådd i leveren etter ablasjon som tilsvarer fig 2.
Reduksjon av HMI peak negativ forskyvning amplitude under HIFU ablasjon kan avbildes med både divergerende og plan bølge avbilding. Figur 4 viser HMI peak negativ forskyvning på ulike stadium av ablasjon med divergerende og plan bølgebildebehandling. Peak negative forskyvninger ble vist både uten og med overlegg på B-modus for å se mer tydelig forskyvning mønster og å se den målrettede regionen i leveren hhv. Den 50 Hz HMI forskyvning lyd svarende til ablasjon overvåket med plan bølge (figur 4C) er innlemmet i videoen. Reduksjonen av HMI forskyvning amplitude på grunn av ablasjon kan høres som gir en ekstra overvåkingsverktøy. Figur 4 viser også at størrelsen av området eksiteres av HIFU øker i ablasjon. Figur 5A og 5B viser HMI forskyvninger i det fokale området under ablasjon for divergerende og plan bølge hhv. Nedgangen i HMI forskyvning størrelse er godt synlig både for divergerende og plane bølge avbildning. Figur 6 viser spiss-til-spiss forskyvningen nedgang for alle de målrettede steder i leveren, både for divergerende (figur 6A) og fly (figur 6B) bølge bildebehandling. Den peak-to-peak forskyvning reduksjon for planbølge er ikke signifikant forskjellig for en oppnådd for avvikende bølge.
Plan bølge avbildning ble funnet å ha en høyere SNR d i fokus enn divergerende bølge avbildning. Figur 7 viser SNR d i ROI for alle lesjonen posisjoner i leveren for divergerende (figur 7A) og plan (figur 7B) bølge avbildning . Den gjennomsnittlig SNR d for flyet var 1,7 ganger høyere enn for avvikende bølge bildebehandling.
Figur 1. Experimental oppsett. (A) Fremstillingen av HMIFU system. (B) Bilde av det eksperimentelle oppsettet.om / filer / ftp_upload / 53050 / 53050fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Sanntids HMI forskyvninger. Capture skjermen på datamaskinen viser real-time streaming av HMI forskyvninger med plan bølge avbilding under HIFU ablasjon av en hjørnetann lever på 4,5 Hz skjerm frame rate. Panelet til venstre side viser de filtrerte HMI forskyvninger og høyre panel viser de filtrerte HMI forskyvninger kledde på pre-ablasjon B-mode i leveren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. lesjon indusert av HIFU. Bilde av middel tverrsnitt av en lesjon etter HIFU behandling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. divergerende og plan bølge avbilding av forskyvningene. Peak negativ HMI forskyvning avbildning under hifu ablasjon av en hjørnetann leveren ved hjelp av divergerende bølge uten B-mode overlegg (A) med B-mode overlegg (B), ved hjelp av plane bølge avbildning med ingen B-mode overlegg (C) og sammen med B-mode overlegg (D). Den 50 Hz HMI forskyvning lyd svarende til ablasjon overvåket med plan bølge (figur 4C) er innlemmet i videoen. Please klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. HMI fokusforskyvningen. HMI forskyvning på fokalområdet under HIFU ablasjon bruker divergerende (A) og plan (B) bølge avbilding. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. peak-to-peak forskyvning reduseres. Peak-to-peak forskyvning reduksjon i det fokale området under hifu ablasjon ved hjelp av divergerende (A) og planet (B) wave imaging. VennligstKlikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7. Displacement signal-til-støy-forhold. Forskyvningen signal-til-støy-forhold i fokus for divergerende (A) og plan (B) bølge bildebehandling for annen ablasjon posisjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sanntidsovervåking av HIFU lesjoner er viktig for å sikre riktig og effektiv lesjon levering. Som lesjon former, stivner vevet og dens bevegelse amplitude etter eksitasjon avtar. Påføring HIFU i en region av vev resulterer i en akustisk stråling kraft som induserer vev forskyvning. Den relative endringen i forskyvning er et surrogat for relativ endring i vev stivhet. Denne teknikken har den fordelen av å overvåke hifu lesjon uten å stoppe behandling, i motsetning til andre ultralydbaserte metoder. Den tidsmessige oppløsningen av sanntidsovervåkning i denne studien (4,5 Hz) var høyere enn den som oppnås i MR-styrt hifu ablasjon (1 Hz).
Rask behandling av ultralyd RF data er et kritisk punkt for sanntids streaming av fortrengning. Gjenoppbyggingen av bildet er den tregeste trinn av behandlingen. I denne protokollen, ble hastigheten på bilde rekonstruksjon optimaliseres ved å skaffe hele rammen using en enkelt operasjon. Denne operasjonen består i å multiplisere RF kanaldata av en matrise. Bare de ikke-null elementer i matrisen ble tildelt for å optimalisere beregningstid og
multiplikasjon ble utført på en GPU. En rask 1-D normalisert krysskorrelasjonsmetode ble brukt for å beregne forskyvninger. Et vindu overlapp på 80% gir en god avveining mellom beregningstiden og den aksiale oppløsning av fortrengnings bildene.
Sendestråleformingsmetode kan også påvirke kvaliteten av fortrengnings bildet. SNR d ble funnet å være betydelig lavere for divergerende enn for plan bølge avbilding ved hjelp av en to-utvalgs t-test. Størrelsen av forskyvningen var også lavere enn for divergerende for planbølge avbildning. Dette kan forklares ved det faktum at den aksiale retningen av den divergerende bølgen ikke er på linje med HIFU strålen på hele ROI på grunn av den avvikende natur av bølgen ikontrast til flyet bølgen. Den nedre peak-to-peak forskyvning reduksjon funnet for lesjon # 3 for avvikende bølge avbildning kan være på grunn av tilstedeværelsen av et skip ved midten av lesjonen ble observert etter patologiske. Den nedre SNR d funnet for lesjon # 4 for planbølge avbildning kan være på grunn av nærheten av fokuset til overflaten av leveren. Det må også bemerkes at dempning på grunn av geometrisk spredning i sideretningen skal skje for divergerende bølger og ikke for planbølge som kan påvirke kvaliteten av bevegelsesvurdering. Men når du bruker den samme ultralydtransduceren, den divergerende bølge avbilding tilbyr et større synsfelt enn plan bølge avbilding som er av interesse for kontinuerlig bilde den største delen av regionen for å ablate.
I denne protokollen, ble en faset oppstilling som ble anvendt for å bilde forskyvninger, slik at bare et tverrsnitt av den ablateres regionen ble fotografert. En 2-D matrise transduseren kan brukes til å avbilde than hele volumet av ablated regionen. Ablasjon på forskjellige steder i leveren ble oppnådd ved å bevege transduseren i forhold til leveren. Strålestyring kan utføres med HIFU probe til target forskjellige steder i regionen som skal behandles for å tillate mer egnet utvelgelse. Foruten de nevnte tekniske forbedringer, fremtidige retninger inkludere kliniske betydningen av denne metoden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Al-Bataineh, O., Jenne, J., Huber, P. Clinical and future applications of high intensity focused ultrasound in cancer. Cancer Treat Rev. 38, 346-353 (2012).
- Dewhirst, M. W., Viglianti, B. L., Lora-Michiels, M., Hanson, M., Hoopes, P. J. Basic principles of thermal dosimetry and thermal thresholds for tissue damage from hyperthermia. Int J Hyperthermia. 19, 267-294 (2003).
- Napoli, A., et al. MR-guided high-intensity focused ultrasound: current status of an emerging technology. Cardiovasc Intervent Radiol. 36, 1190-1203 (2013).
- Gudur, M. S., Kumon, R. E., Zhou, Y., Deng, C. X. High-frequency rapid B-mode ultrasound imaging for real-time monitoring of lesion formation and gas body activity during high-intensity focused ultrasound ablation. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 59, 1687-1699 (2012).
- Jensen, C. R., Cleveland, R. O., Coussios, C. C. Real-time temperature estimation and monitoring of HIFU ablation through a combined modeling and passive acoustic mapping approach. Phys Med Biol. 58, 5833-5850 (2013).
- Mariani, A., et al. Real time shear waves elastography monitoring of thermal ablation: in vivo evaluation in pig livers. J Surg Res. 188, 37-43 (2014).
- Bing, K. F., Rouze, N. C., Palmeri, M. L., Rotemberg, V. M., Nightingale, K. R. Combined ultrasonic thermal ablation with interleaved ARFI image monitoring using a single diagnostic curvilinear array: a feasibility study. Ultrason Imaging. 33, 217-232 (2011).
- Athanasiou, A., et al. Breast lesions: quantitative elastography with supersonic shear imaging--preliminary results., Radiology. 256, 297-303 (2010).
- Maleke, C., Konofagou, E. E. Harmonic motion imaging for focused ultrasound (HMIFU): a fully integrated technique for sonication and monitoring of thermal ablation in tissues. Phys Med Biol. 53, 1773-1793 (2008).
- Maleke, C., Konofagou, E. E. In vivo feasibility of real-time monitoring of focused ultrasound surgery (FUS) using harmonic motion imaging (HMI). IEEE Trans Biomed Eng. 57, 7-11 (2010).
- Hou, G. Y., et al. Sparse matrix beamforming and image reconstruction for 2-D HIFU monitoring using harmonic motion imaging for focused ultrasound (HMIFU) with in vitro validation. IEEE Trans Med Imaging. 33, 2107-2117 (2014).
