Summary
侵襲医療機器の正確かつ効率的な可視化は、非常に多くの超音波ガイド下の低侵襲で重要です。ここでは、超音波イメージング用プローブに対する針先端の位置で空間をローカライズする方法が表示されます。
Abstract
超音波はガイディング ・低侵襲の手順については、多用されるが、医療機器を可視化はしばしばこのイメージ投射様相と困難。可視化が失われると、医療機器は重要な組織構造に外傷を引き起こすことができます。ここでは、超音波画像誘導の手順の中に針の先端を追跡する手法を提案します。このメソッドは、外部超音波プローブを用いた超音波通信医療針カニューレ内貼付光超音波受信機の使用を含みます。このカスタム プローブ中央探触子要素の配列と側要素の配列で構成されます。従来 2次元 (2 D) B モード超音波画像中央の配列によって提供される、に加えて追跡三次元 (3 D) 針の先端は側の配列によって提供されます。B モード超音波イメージング、電子ビーム形成の標準的な送受信シーケンスが実行されます。超音波追跡ハイドロホン センサーが 4 側の配列からゴレイ符号化超音波伝送を受信、受信した信号が針の先端の超音波イメージングに関して空間的な位置を識別するためにデコードされた後プローブ。このメソッドの事前検証、として臨床的に現実的な文脈で針/ハイドロ フォンのペアの挿入を行った。この新規超音波イメージング/追跡法臨床の現在のワークフローと互換性のある、面内と面外の針の挿入の間に信頼性の高いデバイス ・ トラッキングを提供しています。
Introduction
侵襲的な医療機器の正確かつ効率的なローカリゼーションが多く超音波ガイド下低侵襲で望ましい。これらの手順は局所麻酔と介入疼痛管理1、インターベンショナル腫瘍2、胎児医学3など臨床コンテキストで発生しました。医療機器先端の可視化は、超音波イメージングに挑戦することができます。飛行機で挿入中に挿入角度が急な場合針は視界不良を頻繁あります。また、面外挿入中に針の先端として針軸を誤って認識する可能性があります。針の先端が超音波表示されていない、重要な組織の損傷によって合併症があります。
医療機器をローカライズする超音波イメージ投射の間に多くの方法がありますが、臨床の現在のワークフローと互換性のある信頼性の高いものが望ましい。高エコーの表面は、急な角度の面内挿入4の間に可視性を改善するために使用できます。面外挿入中に電磁トラッキング システムを使用できますが、電磁波妨害することができますその精度が低下します。3 D 超音波画像は、流体5によって囲まれている特定の心臓と胎児の手順における医療機器の視認性を向上できます。ただし、3 D 超音波イメージング広く使用されていません針については、一部にイメージの解釈に関連する複雑さのため。
医療機器表示6,7,8,9,10、11,12 を改善するための大きな可能性を示している方法である超音波追跡 ,,1314。超音波追跡を医療機器の埋め込まれた超音波センサーまたは外部超音波プローブと活発なコミュニケーション送信機。医療機器の位置は測定超音波時間-の-便埋め込まれた超音波センサー/トランスミッタとプローブの異なる振動素子間から識別できます。これまで超音波追跡はその臨床使用が大きく制限されている飛行機の追跡に制限されています。
ここでは、カスタム超音波プローブと 3 D 超音波追跡のデモンストレーションを行うことがあり、針のカニューレ内貼付光ファイバー ハイドロホンは (図 1) が提供されます。このカスタム プローブは、著者によって設計され、外部製造、振動素子の配列が中央と 4 側の配列で構成されます。中央配列は 2次元超音波イメージング; に使用されます。側配列 3 D の針の先端光ファイバー超音波受信機とコンサートで追跡。どのように光ファイバー超音波受信機を配置および針カニューレ内に貼付できることを示す、ベンチトップ、測定し、どのように臨床システムの追尾精度がすることができますどのように検証を実行できます。
Protocol
1. システムのハードウェア
- 臨床のカスタム超音波プローブ
- 中央とサイドの配列が含まれていますカスタム プローブで探触子要素のレイアウトの設計案を作成します。このプローブの製造者にデザインを提出します。
- メーカーからのフィードバックと探触子周波数特性と形状 (図 2) への改良が含まれていますカスタム プローブの詳細な設計を作成します。
注: 通常、カスタム プローブの製造元および設計できます電子システム, プローブ住宅超音波撮像システムの特定の種類の互換性のためプローブ コネクタ。メーカーも超音波撮像システムによって対処された 128 要素のセットを決定する操作モード スイッチ (ハードウェア) を含めることができます。イメージングでは、中央の配列、対処は、追跡モード側の配列が解決されます。
- 追跡針
- 遠位端のファブリ ・ ペロー共振器のシングル モード光ファイバーを含む光ファイバー超音波ハイドロホンを選択 (外径 (OD): 150 μ m)。
注: 遠位端のファブリ ・ ペロー共振器のシングル モード光ファイバーを構成するハイドロホン (OD: 150 μ m)、市販されています。遠位端を近位、テレコミュニケーションのため頻繁に使用される光ファイバーのクラッド層を持っている (OD: 125 μ m)、バッファー層 (OD: 250 μ m)、およびジャケット (OD: 900 μ m)。 - メスを使用すると、部分的にハイドロホン針カニューレの内で合うことができるまで、バッファー層を公開するための遠位端の近くに、繊維光学ハイドロホンの長さに沿って 900 マイクロメータ ジャケットを削除します。
注: 機械的頑健性のため便利ですルアー コネクタに近位である光ファイバーのケーブル部に保護バッファー層/ジャケットを保持します。針カニューレによって保護されている前に、ジャケットが削除後の繊維の壊れやすいセクションの処理に注意してください。 - 手動水平平行移動ステージ、水平に医療の針を貼るし、ステレオ顕微鏡、水平方向に一直線に並べられたと針に垂直な顕微鏡の光軸と針の先端を可視化します。必要に応じて、針のかさの表面は顕微鏡で見ることができるように、軸の針を回転させます。
- 顕微鏡の観点から針の先端部を挿入 Tuohy ボースト Sidearm アダプターのカニューレとその後針のルアーロック コネクタを通して光ファイバー超音波受信機水中聴音器の感知領域がちょうどになるまで針の面取り面の近位。この段階では、Sidearm アダプターが針に接続していないする必要があります。針内でその動きを避けるために翻訳段階 (ポリイミド テープ作品よく) するハイドロホンを貼付します。
- 針内のデバイスの動きを避けるためにポリイミド テープで翻訳段階にハイドロホンを貼付します。
- 接辞 20 1 マイクロリットル下向き先端で垂直方向の変換ステージにピペット、マイクロ ピペットを配置する両方の水平および垂直方向の翻訳段階を使用してヒント、光ファイバハイドロホンし約 0.5 mm の横まで垂直方向に近位遠位端センシング領域へ。
- マイクロ ピペットの近位端に光学接着剤のドロップを配置し、光ファイバー超音波受信機にマイクロ ピペット チップから直接パスを許可するように針を調整します。
- 10 mL 注射器を使用して徐々 に光ファイバー超音波受信機、センシング領域や、カニューレを遮蔽に接着剤を適用することを避けるために世話に遠位から接着剤を調剤するマイクロ ピペットの近位端での圧力を適用して光学接着剤が硬化するまでは、紫外線で針先を照らします。
- 遠位端のファブリ ・ ペロー共振器のシングル モード光ファイバーを含む光ファイバー超音波ハイドロホンを選択 (外径 (OD): 150 μ m)。
2. システム統合
- 水中聴音器をその光のコンソールに接続します。
注: 受信した圧力に比例したアナログ電圧信号を提供する光学機市販されて。 - カスタムの超音波超音波コンソールにプローブを接続します。
- 10、14を追跡するため、B モード超音波画像とコード化された超音波パルスのインターリーブの買収を実行します。B モード超音波画像を取得する実行パルス-エコー送受信中央配列の要素のシーケンス。配列の要素または中央配列要素にアクセスするかどうか制御するハードウェア スイッチを使用します。
- データ集録 (DAQ) カードと同時にハイドロ フォン信号と超音波伝達の開始に従ってタイミング信号をデジタル化します。
- プロセス信号をパルス-エコーから取得表示送信・受信 B モード超音波画像を得るには、シーケンス。さらに、処理し、カスタム プローブに対する光ファイバー超音波受信機をローカライズするハイドロホン信号を表示します。後者のタスクのためのアルゴリズムは夏らによって記述されます。12,14
- B モード超音波画像に針の先端位置をオーバーレイします。3 D の 2 D 超音波画像表示に情報を追跡を表示するには、クロス; 針先 (水平・深さ座標) の位置を示すことができます。面外の距離と画像の側面サイズとこのクロスの色のそれぞれ。
3. 前臨床検証
- 超音波イメージング用プローブのスイッチを使っての操作モードを選択します。
- カスタム超音波イメージング用プローブに超音波ゲルを追加します。
- 羊水を模倣するために水を追加することによって胎児の超音波ファントムを準備します。
- B モード超音波イメージングを使用すると、挿入の対象として幻に羊水を識別します。
注: 挿入のターゲットは、コンテキストに依存します。それは臨床プロシージャまたは組織領域を模倣するイメージング ファントム内の指定された場所の間に診断や治療のための組織の特定の領域を含めることができます。 - 挿入の目標に向かって針を挿入します。操作モード (イメージングとトラッキング) 交互に挿入、時に継続的にカスタム プローブでスイッチを使用します。
Representative Results
英国ホーム オフィスの規制および操作の動物 (科学的なプロシージャ) の行為 (1986 年) のガイダンスに従って動物実験を行った。羊は動物福祉に関する英国ホーム オフィスのガイドラインに従って収容されました。下、ホーム オフィス プロジェクト ライセンス 70/7408 権利が「幹細胞と遺伝子導入出生前治療」を行った。羊の実験のための倫理の承認は、大学大学ロンドン、イギリス、王立獣医大学の動物福祉倫理審査委員会によって提供されました。
場所に倫理の承認、臨床生体で検証用妊娠羊が使用されました。2 週間腟のプロゲステロン坐剤を受信した後羊の通り時間交尾排卵を誘発するデビッドらによって記述されました。34で 130 日妊娠、1 つ妊娠雌飢えていた一晩妊娠中のコンパニオン雌と。エウェはチオペン タール ナトリウム 20 mg kg-1を静脈内投与による全身麻酔を施行し、酸素の 2-2.5% イソフルランによる人工呼吸器挿管後が維持されました。正しい挿管は、両側の肺を聞くことによって確認されました。麻酔は、角膜反射の評価によって確認されました。酸素飽和度は、継続的に舌や耳に飽和度モニターを用いて測定しました。半 recundancy に彼女の背中に置かれた、エウェ、経鼻胃管は胃の内容物の通過を容易にするために渡されました。眼の潤滑剤は、湿潤を保つために目に適用されました。フリースのクリッピング後、雌の腹部は二重皮膚消毒剤で洗った。滅菌の腹部に適用ゲルを結合し、超音波検査はエウェ34の胎を確認し、胎児の嘘を評価するために使用されました。手術の終わりに動物はチオペン タール ナトリウムの過剰摂取を使用してを人道的殺された (40 mg kg-1静脈内)。
開業医 (A.L.D.) は、ターゲットとして臍帯を識別します。針が子宮腔内に挿入し、先端の面外距離 15 mm、深さ 38 mm (図 3) を達成した軌道に沿って追跡されました。ゴレイ符号、従来のバイポーラ励起 (図 3 b) を基準にして 7.5-fold の増加と、sn 比が向上しました。3 D の追跡針の先端位置は、面外距離と色イメージング (ステップ 2.6) を示す (図 3) を示す幅の交差を使用して 2 D の超音波画像に覆われていた。
図 1: システムの概要。イメージング/追跡プローブ超音波 (US) 2 D イメージングと追跡 3 D 針の両方ことができます。それは追跡の制御を提供する米国スキャナーによって駆動要素伝達。スイッチは、2 つの操作モードを交互に振動素子の電子選択: 中央配列とイメージングと追跡側の配列。20 G 針の内腔内に配置繊維ファイバー ハイドロホン (FOH) 超音波レシーバーは、側の配列からの送信を受信します。T/r: 送信/受信;LT: 行トリガー;FT: フレームのトリガー。パソコン: パーソナル ・ コンピューター。DAQ: データ集録カード。この図とキャプションをらw. 夏から許可を得て再現します。14.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2: カスタム超音波プローブの振動子要素のレイアウト。128 要素と音響レンズ中央配列により、イメージングできます。側配列、行ごとの 32 要素と合計で 128 要素は、3 D の針の追跡を有効にします。この図とキャプションをらw. 夏から許可を得て再現します。14.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3: 針挿入の生体内での追跡 3 d。(A) 履歴針の先端位置 (サークル: P1 P6) 妊娠中の羊の子宮腔に挿入時に得られます。(B) 追跡信号の信号対雑音比 (Snr) (画像平面: X = 0)。(C) 中央配列で取得された 2D 米国イメージにトラッキングした位置の 3 のオーバーレイ。面外の距離に対応した各十字のエンド-エンドの長さ色 (赤/黄) は、画像平面の側に対応しました。解剖学的特長は、アウトライン (右) と描かれています。S: 皮膚;PF: 経皮的脂肪;UW: 子宮の壁;AF: 羊水;UC: 臍帯;FA: 胎児腹部。この図とキャプションをらw. 夏から許可を得て再現します。14.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Discussion
ここに示す 3 D カスタム超音波プローブ、超音波追跡を実行でき、光ファイバハイドロホン針内に統合します。臨床的翻訳の観点から本研究で開発したカスタム プローブのいくつかの側面が魅力的です。そのコンパクトなサイズは、かさばる 3 D イメージング プローブを操縦は挑戦的な腋窩など小スペースでの使用に最適です。ここで紹介する 3 D 超音波追跡の実装の制限の 1 つは手動切替するイメージングと追跡モードを切り替える必要があります。将来的に直接超音波撮像システムによる実装では、この切り替え出来る。
光ファイバハイドロホンは超音波針追跡に適しています。小型化と柔軟性の高い横小型医療機器への統合を可能にします。その広い周波数帯域幅16異なる臨床超音波プローブとの互換性が可能です。さらに、その omnidirectionality16角度の広い範囲に挿入される針を追跡できます。最後に、電磁界と金属の物体からの妨害へのイミュニティはそれにより臨床的に適切な設定 EM 追跡とは対照的。超音波の検出感度を達成するために将来17プラノ ・ コンケーブ形ファブリ ・ ペロー共振器を使用できます。最終的には、超音波追跡は反射率分光18,19,20,21,22,など、一本の光ファイバーで他の治療法と組み合わせることができます。23、ラマン散乱分光法24、光コヒーレンス断層撮影25,26, と光音響イメージング27,28,29,30,31,32,33。
超音波の追跡には、超音波検査と共有されている制限があります。まず、組織の不均質性が超音波追跡に悪影響します。ティッシュの音の速度の空間変動は以前研究14の数値シミュレーションによって示されるように追跡精度を低下します。超音波、骨の構造などに反射率の高い、または空気の空洞、第二に、解剖学的構造は、おそらく超音波追跡と互換性ではありません。将来的に研究、3 D 回転 C アーム x 線断層など他の画像診断装置で得られた針の先端位置は、 vivo の異種組織の 3 D 超音波追跡の精度を評価するために使用できます。
超音波イメージングの最近の進歩、にもかかわらず、正確なトラッキングとこのモダリティの指導の下で医療機器の効率的な操作は専門家実務家にとっても、挑戦に残る。外部超音波プローブと医療機器との間の積極的なコミュニケーション、ここで示すように、手続き型安全・効率改善できます。これらの改善が大きく介入疼痛管理のための脊髄の挿入など、いくつかの臨床コンテキストで x 線透視の代わりに超音波イメージングの採用を促進します。本研究で開発したシステムは、コンパクトな超音波プローブと 3 D 超音波追跡と 2 D 超音波イメージングをできます。それは現在臨床ワークフロー内で針先の正確な局在を提供することで低侵襲の超音波ガイドを改善できます。
Disclosures
著者は、利害の対立がないことを宣言します。
Acknowledgments
この作品は、Wellcome の信頼 (号によって衛生賞を受賞の革新的な技術によって支えられました。WT101957) と工学・物理科学研究会議 (EPSRC) 号NS/A000027/1)、ウェルカム/EPSRC センター賞 [203145Z/16/Z & NS/A000050/1]、開始助成金によって欧州研究評議会 (グラント号からERC-2012-StG、提案 310970 MOPHIM)、EPSRC は最初グラント号EP/J010952/1)。A.L.D. は、UCL/内診療 NIHR 包括的な生物医学研究センターによってサポートされます。著者らは、生体内で実験の貴重な援助王立獣医大学のスタッフに感謝しています。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ultrasound imaging system | BK ultrasound (ultrasonix) | SonixMDP | |
| Custom ultrasound probe | Vermon | ||
| Spinal needle | Terumo | 20 gauge | |
| Fibre-optic hydrophone | Precision Acoustics | ||
| Fibre-optic stripping tool | Thorlabs | FTS4 | |
| Stereo microscope | Leica Microsystems | Z16APO | |
| Tuohy-Borst Sidearm adapter | Cook Medical | PTBYC-RA | |
| Pipette | Eppendorf | 100 mL | |
| Micropipette tip | Eppendorf | 20 µL | |
| Ultraviolet optical adhesive | Norland Products | NOA81 | |
| Syringe | Terumo | 10 mL | |
| Ultraviolet light source | Norland Products | Opticure 4 Light Gun | |
| Data acquisiton card | National Instruments | USB-5132 | |
| Articulated arm | CIVCO | 811-002 | |
| Thiopental sodium | Novartis Animal Health UK | Thiovet | |
| Isoflurane | Merial Animal Health | Isoflurane-Vet | |
| Ocular lubricant | Allergan, Marlow, UK | Lacri-Lube | |
| Skin lubricant | Adams Healthcare, Garforth, UK | Hibitane 2% |
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