Summary
침략 적 의료 기기에 대 한 정확 하 고 효율적인 시각화 많은 초음파 유도 최소한 침략 적 절차에서 매우 중요 하다. 여기, 초음파 이미징 프로브 상대적인 바늘 팁의 공간 위치를 지역화 하는 방법을 제시 합니다.
Abstract
초음파 지도 최소한 침략 적 절차를 위해 자주 사용 되 하지만 의료 기기를 시각화 종종 어려운이 이미징 적임. 시각화는 분실, 의료 기기 외상 중요 한 조직 구조를 발생할 수 있습니다. 여기, 초음파 이미지 유도 절차 동안 바늘 팁을 추적 하는 방법을 제시 합니다. 이 방법은 외부 초음파 프로브 초음파 통신할 의료 바늘의 정 맥 내 부착은 광섬유 초음파 수신기의 사용을 포함 한다. 이 사용자 정의 프로브 중앙 트랜스듀서 요소 배열 측면 요소 배열 구성 되어 있습니다. 기존의 2 차원 (2D) B 형태 초음파 이미징 중앙 배열에 의해 제공, 뿐만 아니라 추적 하는 3 차원 (3D) 바늘 팁 측면 배열에 의해 제공 됩니다. B 형태 초음파 이미징, 전자 빔 형성 된 표준 transmit-receive 시퀀스 수행 됩니다. 초음파 추적에 대 한 4 측면 배열에서 Golay 코딩 초음파 전송 고래의 센서에 의해 수신 되 고 이후 수신된 신호는 디코딩된 초음파 영상에 관하여 바늘 팁의 공간 위치를 식별할 수 프로브입니다. 이 방법의 예비 유효성 검사로 삽입 바늘/고래의 쌍의 임상 실제 상황에서 수행 했다. 이 소설 초음파 이미징/추적 방법 현재 임상 워크플로와 호환 이며 비행기에서와 밖으로의 비행기 바늘 삽입 하는 동안 신뢰할 수 있는 장치 추적을 제공 합니다.
Introduction
침략 적 의료 기기에 대 한 정확 하 고 효율적인 지역화는 매우 많은 초음파 유도 최소한 침략 적 절차에 원한다. 이 절차는 지역 마 취 및 중재 통증 관리1, 중재 종양학2, 태아 의학3등 임상 상황에서 발생 했습니다. 의료 기기 팁의 시각화는 초음파 이미징으로 전하실 수 있습니다. 비행기에 삽입 하는 동안 바늘 들은 가난한 가시성 삽입 각도 가파른 있습니다. 또한, 평면으로 삽입 하는 동안 바늘 축 수 수 잘못 해석 바늘 팁으로. 바늘 팁 초음파 보이지 않습니다, 그것은 중요 한 조직 구조를 손상 하 여 합병증 발생할 수 있습니다.
많은 방법이 초음파 이미징 동안 의료 기기를 지역화를 사용할 수 있지만 현재 임상 워크플로와 호환 되는 믿을 수 있는 한 높은 원하는. Echogenic 표면 가파른 각도에서 비행기 삽입4동안 가시성을 개선 하기 위해 사용할 수 있습니다. 밖으로의 비행기 삽입 중 전자기 추적 시스템에 사용할 수 있지만 전자기장 방해 심각 하 게 그들의 정확성을 저하 될 수 있습니다. 3D 초음파 이미징 때 그들은 체액5에 의해 포위 된다 심장 및 태아의 일부 절차에 의료 기기의 가시성을 높일 수 있습니다. 그러나, 3 차원 초음파 영상 사용 되지 않습니다 널리 바늘 지도, 일부 이미지 해석와 관련 된 복잡성 때문.
초음파 추적은 의료 기기 표시6,7,,89,10,11,12 개선을 위한 큰 잠재력을 보이고 있다 ,,1314. 초음파 추적, 의료 기기 포함 된 초음파 센서 나 송신기 적극적으로 외부 초음파 이미징 프로브와 통신 하는. 의료 기기 위치 측정된 초음파 시간-의-항공편 포함 된 초음파 센서/전송기 및 다른 트랜스듀서 요소 프로브 사이에서 확인할 수 있습니다. 날짜 하려면, 초음파 추적에 비행기 관리를 크게 그것의 임상 사용을 제한 했다 제한 되었습니다.
여기, 사용자 정의 초음파 이미징 프로브로 어떻게 3D 초음파 추적의 데모를 수행할 수 있습니다와 광섬유 고래의 바늘의 정 맥 내 부착 (그림 1)를 제공 됩니다. 이 사용자 정의 프로브, 저자에 의해 설계 되었고 외부 제조, 트랜스듀서 요소 중앙 배열 및 4 개의 측면 배열 구성 되어 있습니다. 2D 초음파 이미징; 중앙 배열 사용 측면 배열 3d 바늘 팁 광섬유 초음파 수신기와 함께 콘서트에 추적. 그것은 광섬유 초음파 수신기를 배치 하 고 바늘 캐 뉼 러 내 부착 수 어떻게, 얼마나 시스템의 추적 정확도 벤치탑에 측정 하 고 어떻게 임상 수 유효성 검사를 수행할 수 있습니다.
Protocol
1. 시스템 하드웨어
- 임상 사용자 정의 초음파 이미징 프로브
- 중앙 및 측면 배열을 포함 하는 사용자 정의 프로브에 변환기 요소의 레이아웃에 대 한 초안 디자인을 만듭니다. 이 감지기의 제조 업체에 디자인을 제출 합니다.
- 제조 업체에서 피드백, 트랜스듀서 주파수 특성을 형상 (그림 2) 상세를 포함 하는 사용자 정의 프로브에 대 한 자세한 디자인을 만듭니다.
참고: 일반적으로, 사용자 정의 프로브 제조 업체 수 있습니다 디자인 전자 시스템, 프로브 하우징 및 초음파 이미징 시스템의 특정 형식에 대 한 호환성에 대 한 프로브 커넥터. 제조 업체는 128 요소 집합 이미징 시스템 초음파에 의해 해결 되었습니다 확인 하는 작업 모드 스위치 (하드웨어)를 포함할 수도 있습니다. 이미징 모드에서 중앙 배열 제시 된다; 추적 모드에서 측면 배열 해결 됩니다.
- 추적 바늘
- 선단부에서 Fabry Pérot 캐비티와 단일 모드 광섬유를 구성 하는 광섬유 초음파 고래의 선택 (외경 (OD): 150 µ m).
참고: 넘나드는 선단부에서 Fabry Pérot 캐비티와 단일 모드 광섬유를 구성 하는 (OD: 150 µ m), 상업적으로 사용할 수 있습니다. 선단부에 인접, 통신에 자주 사용 되는 광섬유는 클 래 딩 층 (OD: 125 µ m), 버퍼 레이어 (OD: 250 µ m), 그리고 자 켓 (OD: 900 µ m). - 메스를 사용 하 여, 부분적으로 고래의 바늘 캐 뉼 러 안에 들어갈 수 있는 때까지 버퍼 레이어를 노출 하는 원심 끝 가까이 섬유 광섬유 고래의의 길이 따라 900 마이크로미터 재킷을 제거 합니다.
참고: 기계적 견고성에 대 한 유용 보호 버퍼 레이어/Luer 커넥터 근은 섬유 광섬유 케이블의 섹션에 재킷을 유지 합니다. 재킷, 바늘 캐 뉼 러에 의해 보호 됩니다 전에 제거 되는 섬유의 연약한 부분 처리 처리. - 가로로 단계로 수동 가로 번역, 의료 바늘을 부착 하 고 스테레오 현미경, 현미경 수평으로 정렬 하 고 바늘에 수직의 광 축과 바늘 끝을 시각화. 필요한 경우, 회전 축에 대 한 바늘 바늘의 경사 표면을 현미경으로 볼 수 있도록.
- 현미경에 비추어 바늘의 선단부 삽입 Tuohy Borst 수급 어댑터의 정 맥을 통해 고 바늘의 루어 커넥터를 통해 광섬유 초음파 수신기는 고래의의 감지 영역 될 때까지 그냥 바늘의 경사 표면에 인접. 이 단계에서 바늘에 안 빼 어댑터를 연결 합니다. 고래의 바늘 내의 그것의 운동을 피하기 위해 번역 단계 (polyimide 테이프 작품 잘)에 부착
- 장치 내에 바늘의 움직임을 피하기 위해 polyimide 테이프로 번역 단계에 고래의 부착
- 세로로 부착 20 microliter 아래쪽으로 직면 하는 팁과 수직 번역 단계를 플라스틱 및 둘 다 수평 및 수직 번역 단계를 사용 하 여 위치는 micropipette 팁 그것은 인접 한 광섬유 고래의 약 0.5 m m까지 선단부에 감지 영역에 인접.
- micropipette의 근 위 끝에 광학 접착제의 방울을 놓고 광섬유 초음파 수신기 micropipette 팁에서 직접적인 경로 허용 하도록 바늘을 조정 합니다.
- 다음 10 mL 주사기를 사용 하 여 점차적으로 지역 감지 또는 캐 뉼 러, 경색에 접착제를 적용 하지 않으려면 돌보는 광섬유 초음파 수신기에는 원심에서 접착제를 분배 하는 micropipette의 근 위 끝에 압력을 적용 하 고 광학 접착제 치료 될 때까지 바늘 팁 자외선 빛을 밝히는.
- 선단부에서 Fabry Pérot 캐비티와 단일 모드 광섬유를 구성 하는 광섬유 초음파 고래의 선택 (외경 (OD): 150 µ m).
2. 시스템 통합
- 그것의 광학 콘솔에는 고래의 연결 합니다.
참고: 받은 압력에 비례 하는 아날로그 전압 신호를 제공 하는 광학 장치는 사용할 수 있는 상업적으로. - 사용자 정의 초음파 이미징 프로브 초음파 콘솔에 연결 합니다.
- 10,14를 추적 하기 위한 인터리브 인수 B 형태 초음파 이미지와 코딩 된 초음파 펄스를 수행 합니다. B 형태 초음파 이미지 수집, 수행 펄스-에코 송수신 중앙 배열 요소 시퀀스. 측면 배열 요소 또는 중앙 배열 요소 액세스 여부 제어 하드웨어 스위치를 사용 합니다.
- 데이터 수집 (DAQ) 카드와 고래의 신호 및 초음파 전송의 시작에 따라 타이밍 신호 동시에 디지털화 합니다.
- 프로세스와 펄스-에코에서 획득 한 신호 디스플레이 전송-받을 B 형태 초음파 이미지를 시퀀스. 또한, 처리 하 고 사용자 정의 프로브를 기준으로 광섬유 초음파 수신기 지역화 고래의 신호를 표시. 후자의 작업에 대 한 알고리즘 쌰 외에 의해 설명 되어 있습니다. 12 , 14
- 바늘 팁 위치 B 형태 초음파 이미지에 오버레이 합니다. 3D 추적 2D 초음파 이미지 디스플레이에 정보를 표시 하려면 (측면 및 깊이 좌표) 바늘 팁의 위치 십자가;로 나타날 수 있다 밖으로의 비행기 거리와는 이미징의 비행기, 크기와 색이이 십자가의 각각.
3. 전 임상 유효성 검사
- 초음파 이미징 프로브에 스위치를 사용 하 여 동작 모드를 선택 합니다.
- 사용자 정의 초음파 이미징 프로브를 초음파 젤을 추가 합니다.
- 추가 물 양수를 모방 하 여 태아 초음파 팬텀을 준비 합니다.
- B 형태 초음파 이미징 사용 하 여 삽입 대상으로 팬텀에 양수를 식별 합니다.
참고: 삽입 대상 컨텍스트;에 따라 달라 집니다. 그것은 임상 절차, 또는 조직 영역을 모방 하는 이미징 팬텀에 지정 된 위치 중 진단 또는 치료에 대 한 조직의 특정 영역을 포함할 수 있습니다. - 삽입 대상 쪽으로 바늘을 삽입 합니다. 작동 모드 (이미징 및 추적) 번갈아 삽입, 사용자 정의 프로브에 스위치를 사용 하 여 지속적으로.
Representative Results
동물 실험은 영국 홈 오피스 규정 및 작업의 동물 (과학적인 절차) 행위 (1986)에 대 한 지침에 따라 실시 했다. 양 동물 복지;에 관련 된 영국 본사 지침에 따라 지 내게 되었다 실험은 아래는 홈 오피스 프로젝트 라이센스 70/7408 "태아 치료 줄기 세포와 유전자 이동" 권리를 실시 했다. 양 실험에 대 한 윤리 승인 대학 대학 런던, 영국 및 동물 복지 윤리 검토 보드 왕 수의 대학에 의해 제공 되었다.
장소에서 윤리 승인, 임신 양 전 임상 vivo에서 유효성 검사를 위해 사용 되었다. 2 주 동안 자 호르몬 좌 약을 받은 후 암 했다 시간 배 란 유도 성관계 데이비드 외에 설명 된 대로. 34 에 130 일 임신의 한 임신 암은 굶 어 하룻밤 임신 동반자 암으로. 암은 thiopental 나트륨 20 mg k g-1 와 유도 정 맥 전신 마 취 수술 그리고 호흡을 통해 삽 관 법 후 산소에 2-2.5 %isoflurane 유지 했다. 올바른 삽 관 법은 양측 폐에 귀를 기울이는 확인 됐다. 마 취는 각 막 반사의 평가 의해 확인 되었다. 산소 포화 혀 또는 귀에 채도 모니터를 사용 하 여 지속적으로 측정 했다. 와 암 세미-recundancy에 그녀의 뒤에 배치 되었다 nasogastric 튜브 위 내용물의 통과 쉽게 하기 위해 전달 되었습니다. 눈 윤 활 유는 그들을 계속 촉촉한 눈에 적용 되었습니다. 털의 클리핑, 후 암의 복 부 피부 소독 제와 하 찮은 두 번 했다. 살 균 커플링 젤 복 부에 적용 된 그리고 초음파 검사 암34 의 임신 나이 확인 하 고 태아 거짓말을 평가 하기 위해 사용 되었다. 수술의 끝에 동물 고통 없이 살 thiopental 나트륨의 과다를 사용 하 여 (40 밀리 그램 킬로그램-1 정 맥).
개업 (A.L.D.)를 대상으로 탯을 식별. 바늘은 자 궁 구멍에 삽입 하 고 팁 15 m m의 아웃-의-비행기 거리와 38 m m (그림 3)의 깊이 달성 하는 궤적을 따라 추적 했다. 기존의 바이 폴라 구동 (그림 3B)를 기준으로 7.5-fold 증가와 SNR을 향상 Golay 코딩. 3D 추적된 바늘 팁 위치 폭 비행기 밖으로 거리와 색상 이미징 (단계 2.6)의 지표 (그림 3C)을 나타내는 십자가 사용 하 여 2D 초음파 이미지에 중첩 되었다.
그림 1: 시스템 개요. 초음파 (미국) 이미징/추적 조사 2D 미국 이미징 및 3D 바늘 추적 할 수 있습니다. 추적 제어를 제공 하는 미국 스캐너에 의해 구동 요소 전송. 스위치의 두 가지 작동 모드 사이의 대체 트랜스듀서 요소 전자 선택 허용: 중앙 배열 이미징 및 측면 배열 추적. 20 G 바늘의 루멘 내 배치 섬유 광섬유 고래의 (FOH) 초음파 수신기 측면 배열에서 전송 받습니다. T/r: 전송/수신; LT: 선 트리거; FT: 프레임 트리거; PC: 개인용 컴퓨터; 데이터 수집: 데이터 수집 카드입니다. 이 그림 및 캡션 외. W. 쌰에서 허가로 재현 14. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 사용자 정의 초음파 프로브 이미징의 트랜스듀서 요소 레이아웃. 128 요소와 음향 렌즈 중앙 배열 이미지 수 있습니다. 행 마다 32 요소와 총에서 128 요소 측면 배열 3D 바늘 추적 가능 이 그림 및 캡션 외. W. 쌰에서 허가로 재현 14. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: vivo에서추적 3d 삽입 바늘. (A) 추적 바늘 팁 위치 (서클: P1-P6) 임신 양의 자 궁 캐비티에 삽입 하는 동안 취득. (B) 추적 신호의 신호 대 잡음 비율 (SNRs) (영상 비행기: X = 0). 중앙 배열 인수 되었다 2D 미국 이미지에 추적 된 위치 3의 (C) 오버레이. 각 십자가의 엔드-투-엔드 길이 아웃-의-비행기 거리;에 대응 색상 (빨간색/노란색) 이미징 비행기의 측에 대응 했다. 주요 해 부 기능 설명 (오른쪽)으로 묘사 된다. S: 피부; PF: 경 피 적인 지방; UW: 자 궁 벽; 어: 양수; UC: 탯; 아버지: 태아 복 부입니다. 이 그림 및 캡션 외. W. 쌰에서 허가로 재현 14. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
Discussion
여기에 우리가 보여 어떻게 3D 이미징 프로브 사용자 정의 초음파 초음파 추적을 수행할 수 있습니다 및 광섬유 고래의 바늘 통합. 임상 번역의 관점에서이 연구에서 개발 된 사용자 지정 검색의 몇 가지 측면은 매력적 이다. 그것의 소형 사이즈는 잘 부피가 3D 이미징 프로브를 기동 시키기가 어려운는 겨드랑이 같은 작은 공간에서 사용에 적합 합니다. 여기에 제시 된 3 차원 초음파 추적의 구현에의 한 제한 수동 전환 했다는 이미징 및 추적 모드 사이의 대체 하는 데 필요한입니다. 미래에 구현,이 스위칭 할 수 있었다 초음파 이미징 시스템에 의해 직접.
광섬유 고래의 추적 초음파 바늘에 적합 합니다. 소형화와 유연성의 그것의 높은 학위의 통합 측면 소형화와 의료 기기에 대 한 허용. 그것의 광범위 한 주파수 대역폭16 다른 임상 초음파 프로브와의 호환성에 대 한 수 있습니다. 또한, 그것의 omnidirectionality16 다양 한 각도에 삽입 되는 바늘을 추적 할 수 있습니다. 마지막으로, EM 필드와 금속 개체에서 소요의 면역은 임상에 더 적합 한 설정 그들 추적 달리 합니다. 초음파 검출 감도 향상을 달성 하기 위해 렌즈-오목 Fabry Pérot 구멍17미래 사용 될 수 있습니다. 궁극적으로, 초음파 추적 다른 modalities 반사율 분광학18,,1920,,2122, 등 단일 광 섬유에 결합 될 수 있습니다. 23, 라만 분광학24, 광학 일관성 단층 촬영25,26, 그리고 photoacoustic27,,2829,30 이미징 , 31 , 32 , 33.
초음파 추적은 초음파 이미징와 공유 하는 제한이 있습니다. 첫째, 조직 heterogeneities는 부정적인 영향을 미칠 초음파 추적; 조직의 소리의 속도 있는 공간 변이 이전 연구14수치 시뮬레이션으로 같이 추적 정확도 줄일 것 이다. 두 번째, 해 부 구조는 초음파 파도, 반사와 같은 뼈 구조 또는 공기 구멍, 아마 초음파 추적와 호환. 미래 연구, 3D 회전 C 팔 계산 x 선 단층 촬영, 같은 다른 이미지 형식으로 얻은 바늘 팁 위치 vivo에서다른 유형의 조직에 3 차원 초음파 추적의 정확도 평가 하기 위해 사용 될 수 있습니다.
초음파 이미지에 최근 전진에도 불구 하 고 정확한 추적 및이 양식 적임의 지도 하에 의료 기기의 효율적인 조작, 심지어 전문가 실무자에 대 한 도전 남아 있다. 외부 초음파 프로브와 의료 기기 간의 활성 통신 같이, 수 향상 시킬 절차의 안전 및 효율성. 이러한 개선 수 크게 중재 통증 관리에 대 한 척추 삽입 등의 여러 임상 상황에서 x 선 fluoroscopy 대신 초음파 이미징의 도입을 촉진 한다. 이 연구에서 개발 된 시스템 초소형 초음파 프로브와 3 차원 초음파 추적 및 2D 초음파 이미징 있습니다. 그것은 현재 임상 워크플로 내에서 바늘 팁의 정확한 지역화를 제공 함으로써 초음파 유도 최소한 침략 적 절차를 향상 시킬 수 있습니다.
Disclosures
저자 아무 충돌 다는 것을 선언 합니다.
Acknowledgments
이 작품은 혁신적인 Wellcome 신뢰 (No. 건강 상 엔지니어링에 의해 지원 되었다 WT101957)과 공학 및 물리 과학 연구 위원회 (EPSRC) (제 NS/A000027/1), Wellcome/EPSRC 센터 수상 [203145Z/16/Z & NS/A000050/1] 시작 권한을 부여 하 여 유럽 연구 위원회 (부여 번호에서 ERC-2012-StG, 제안 310970 MOPHIM), 그리고 EPSRC 처음 부여 (제 EP/J010952/1). A.L.D.는 UCL/UCLH NIHR 종합 생물 의학 연구 센터에 의해 지원 됩니다. 저자는 vivo에서 실험 그들의 귀중 한 도움에 대 한 왕 수의 대학 직원에 게 감사.
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% |
References
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