Præcis og effektiv visualisering af invasive medicinske anordninger er ekstremt vigtig i mange ultralydsvejledt minimalt invasive procedurer. Her, præsenteres en metode til lokalisering rumlige placeringen af en nål tip i forhold til billedbehandling ultralydssonde.
Ultralyd bruges ofte til ledende minimalt invasive procedurer, men visualisere medicinsk udstyr er ofte en udfordring med denne imaging modalitet. Når visualisering er gået tabt, kan det medicinske udstyr forårsage traumer til kritisk væv strukturer. Her, er en metode til at spore nål tip under ultralyd billede-styrede procedurer præsenteret. Denne metode indebærer anvendelse af en fiber-optisk ultralyd modtager, der er anbragt i kanylen af en medicinsk nål til at kommunikere ultralyd med eksterne ultralydssonde. Denne brugerdefinerede sonden består af en central transducer element array og side element arrays. Ud over konventionelle todimensionale (2D) B-mode ultralyd imaging fastsat af den centrale array, tilbydes tre-dimensionelle (3D) nål tip sporing af side arrays. For B-mode ultrasound imaging udføres en standard transmit-receive sekvens med elektroniske ensrettere. For ultralyd tracking, Golay-kodet ultralyd transmissioner fra 4 side arrays er modtaget af audit sensor, og efterfølgende de modtagne signaler er afkodede at identificere nål tip rumlige placering i forhold til ultralyd imaging sonden. Som en indledende validering af denne metode, blev indsætninger af nål/audit parret udført i klinisk realistiske sammenhænge. Denne roman ultrasound imaging/sporing metode er kompatible med aktuelle kliniske arbejdsproces, og det giver pålidelig enhed sporingen under i flyet og ud af flyet nål indsættelser.
Præcis og effektiv lokalisering af invasive medicinske anordninger er meget eftertragtede i mange ultralydsvejledt minimalt invasive procedurer. Disse procedurer er stødt på i kliniske sammenhænge som regional anæstesi og interventionel pain management1, interventionel onkologi2og føtal medicin3. Visualisering af hospitalsudstyret tip kan være udfordrende med ultralyd billeddannelse. Under i plan indsættelser har nåle ofte dårlig sigtbarhed når indsættelse vinkler er stejl. Desuden under ud af flyet indsættelser, kan nål skaft mistolkes som nål-spids. Når nålen tip ikke er ultrasonically synlige, kan det medføre komplikationer ved at beskadige vigtige strukturer.
Der findes mange metoder til at lokalisere medicinsk udstyr under ultrasound imaging, men en pålidelig en, der er kompatible med aktuelle kliniske arbejdsgange er meget eftertragtede. Echogenic overflader kan bruges til at forbedre synlighed under stejl vinkel i flyet indsætninger4. Elektromagnetisk sporingssystemer kan bruges under ud af flyet indsættelser, men elektromagnetiske felt forstyrrelser kan alvorlig grad forringe deres nøjagtighed. 3D ultralyd imaging kan forbedre synligheden af medicinsk udstyr i visse hjerte- og føtal procedurer, når de er omgivet af væsker5. Men 3D ultralyd imaging er ikke særlig udbredt nål vejledning, delvis på grund af kompleksiteten forbundet med billede fortolkning.
Ultralyd tracking er en metode, der har vist stort potentiale for at forbedre medicinsk enhed synlighed6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. Med ultrasonic tracking har det medicinske udstyr en integreret ultralyd sensor eller sender, der aktivt kommunikerer med den eksterne ultrasound imaging sonde. Medicinsk enhed holdning kan identificeres fra de målte ultralyd tid-af-flyvninger mellem integrerede ultralyd sensor/senderen og forskellige transducer elementer af sonden. Til dato, har ultralyd tracking været begrænset til i plan tracking, som har meget begrænset sin kliniske anvendelse.
Her, en demonstration af hvordan 3D ultralyd tracking kan udføres med en brugerdefineret ultrasound imaging sonde og en fiberoptisk audit anbragt i kanylen af en nål er fastsat (figur 1). Denne brugerdefinerede sonde, som blev udviklet af forfatterne og fremstillet eksternt, består af en central matrix af transducer elementer og fire side arrays. Den centrale array bruges til 2D ultrasound imaging; side arrays, nål til 3D tip sporing i koncert med fiber-optisk ultralyd modtager. Det er vist hvordan fiberoptisk ultralyd modtageren kan placeres og anbragt i nål kanyle, hvordan tracking nøjagtigheden af systemet kan være målt på benchtop, og hvordan klinisk validering kan udføres.
Her vi demonstrere hvordan 3D ultralyd tracking kan udføres med en brugerdefineret ultrasound imaging sonde og en fiberoptisk audit integreret inden for en nål. Fra et klinisk oversættelse synspunkt er flere aspekter af brugerdefinerede sonden udviklet i denne undersøgelse attraktive. Dens kompakte størrelse er velegnet til brug i små rum såsom armhule hvor manøvrering klodsede 3D imaging sonder er udfordrende. En begrænsning af gennemførelsen af den 3D ultralyd tracking præsenteres her er at manuel skifte var forpligtet til at skifte mellem imaging og sporing tilstande. Fremover implementeringer, dette skifte kan gøres direkte ved ultralyd imaging system.
Fiberoptisk audit er velegnet til ultralyd nål sporing. Dens høje grad af miniaturisering og fleksibilitet giver mulighed for landets integration i medicinsk udstyr med lille lateral dimensioner. Dens brede frekvens båndbredde16 giver mulighed for kompatibilitet med forskellige kliniske ultralyd sonder. Derudover kuglekarakteri16 giver mulighed for sporing af nåle, der er indsat på en bred vifte af vinkler. Endelig gør sin immunitet over for forstyrrelser fra EM felter og metal objekter det mere velegnet til klinisk indstillinger i modsætning til EM tracking. For at opnå større ultralyd påvisning følsomhed, kunne en plano-konkave Fabry-Pérot hulrum bruges i den fremtidige17. I sidste ende, ultralyd tracking kan kombineres med andre modaliteter i en enkelt optisk fiber, såsom Reflektionsgraden spektroskopi18,19,20,21,22, 23, Raman spektroskopi24, optisk kohærens tomografi25,26og photoacoustic imaging27,28,29,30 , 31 , 32 , 33.
Ultralyd tracking har begrænsninger, der er delt med ultralyd billeddannelse. Først, væv heterogeneities negativt påvirker ultralyd sporing; rumlige variationer i hastighed af lyden af væv vil falde sporing præcision, som fremgår af numeriske simulationer i en tidligere undersøgelse14. Andet, anatomiske strukturer, der er meget reflekterende til ultralyd bølger, som benede strukturer eller luft huller, er sandsynligvis ikke kompatibel med ultralyd tracking. I fremtiden kunne undersøgelser, nål tip position opnået med andre billeddiagnostiske modaliteter, såsom 3D roterende C-arm computertomografi X-ray, bruges til at vurdere nøjagtigheden af 3D ultralyd tracking i heterogen væv i vivo.
Trods de seneste fremskridt i ultrasound imaging fortsat præcis sporing og effektiv manipulation af medicinsk udstyr under vejledning af denne modalitet udfordrende, selv for erfarne praktikere. Aktiv kommunikation mellem eksterne ultralyd sonder og medicinsk udstyr, kunne som vist her, forbedre proceduremæssige sikkerhed og effektivitet. Disse forbedringer kan i høj grad lette vedtagelsen af ultrasound imaging i stedet for X-ray fluoroskopi i flere kliniske sammenhænge, såsom spinal indsættelser til interventionel smertebehandling. System udviklet i denne undersøgelse giver mulighed for 3D ultralyd tracking og 2D ultrasound imaging med en kompakt ultralydssonde. Det kunne forbedre ultralydsvejledt minimalt invasive procedurer ved at levere præcise lokalisering af nålen tip i aktuelle kliniske arbejdsproces.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af en innovativ teknik for sundhed award ved Wellcome Trust (nr. WT101957) og teknik og naturvidenskab forskning Rådet (EPSRC) (nr. NS/A000027/1), af en Wellcome/EPSRC centrum award [16-203145Z-Z & NS/A000050/1], af et begyndende tilskud fra Det Europæiske Forskningsråd (Grant nr. ERC-2012-StG, forslag 310970 MOPHIM), og af en EPSRC første Grant (nr. EP/J010952/1). A.L.D. understøttes af UCL/UCLH NIHR omfattende biomedicinsk forskning centrum. Forfatterne er taknemmelig for Royal Veterinary College personale for deres værdifulde bistand med i vivo eksperimenter.
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% |