Korrekt och effektiv visualisering av invasiva medicintekniska produkter är oerhört viktigt i många ultraljud-guidad minimalt invasiva ingrepp. Här presenteras en metod för att lokalisera en nålspetsen i förhållande till den imaging ultraljudssond rumsliga position.
Ultraljud används ofta för vägledande minimalt invasiva ingrepp, men visualisera medicintekniska produkter är ofta utmanande med denna bildframställning modalitet. När visualisering är förlorad, kan den medicinska enheten orsaka trauma till kritiska vävnad strukturer. Här presenteras en metod att spåra kanylspetsen under ultraljud bild-guidad förfaranden. Denna metod innebär användning av en fiberoptisk ultraljud-mottagare som är fastsatt i kanylen av en medicinsk nål att kommunicera ultraljud med extern ultraljud sonden. Denna anpassade sond består av en matris med centrala givaren i element och sida element matriser. Förutom konventionella tvådimensionell (2D) B-läge ultraljudsundersökningar som tillhandahålls av centrala matrisen, tillhandahålls tredimensionella (3D) nålspetsen spårning av de side arrayer. För B-läge ultraljudsundersökningar utförs en standard transmit-receive sekvens med elektroniska strålformning. För ultraljud spårning, Golay-kodad ultraljud överföringar från de 4 sida arrayer tas emot av hydrofon sensorn, och därefter de mottagna signalerna är avkodad att identifiera nålspetsens rumsliga läge med avseende på ultraljudsundersökningar sonden. Som en preliminär validering av denna metod utfördes införanden av paret nål/hydrofon i kliniskt realistiska sammanhang. Denna roman ultraljud avbildning/spårning metod är kompatibel med nuvarande kliniska arbetsflödet, och det ger tillförlitlig anordning spårning under i-planet och out-av-plane nål infogningar.
Korrekt och effektiv lokalisering av invasiva medicintekniska produkter är mycket önskvärt i många ultraljud-guidad minimalt invasiva ingrepp. Dessa procedurer påträffas i kliniska sammanhang såsom regional anestesi och interventionell pain management1, interventionell onkologi2och fostermedicin3. Visualisering av medicintekniska spetsen kan vara utmanande med ultraljudsundersökningar. Under-plane infogningar har nålar ofta dålig sikt när insättningspunkten vinklar är branta. Dessutom under ute-av-plane infogningar, kan nål axeln misstolkas som nålspetsen. När injektionsnålens spets inte syns ultraljud, kan det orsaka komplikationer genom att skada kritisk vävnad strukturer.
Det finns många metoder för att lokalisera medicintekniska produkter under ultraljudsundersökningar, men en pålitlig en som är kompatibel med nuvarande kliniska arbetsflödet är mycket önskvärt. Echogenic ytor kan användas för att förbättra sikten under brant vinkel i-plane infogningar4. Elektromagnetiska tracking system kan användas under ute-av-plane infogningar, men elektromagnetiska fält störningar kan allvarligt försämra deras noggrannhet. 3D ultraljud kan förbättra sikten av medicintekniska produkter i vissa hjärt- och fostrets förfaranden när de är omgivna av vätska5. Men, 3D ultraljudsundersökningar inte används allmänt för nål vägledning, delvis på grund av svårigheterna som förknippas med bild tolkning.
Ultraljud spårning är en metod som har visat stor potential för att förbättra medicinska enheten synbarheten6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. Med ultraljud spårning har den medicinska enheten en inbäddad ultraljud sensor eller sändare som aktivt kommunicerar med externa Ultraljudet imaging sonden. Medicinska enheten position kan identifieras från de uppmätta ultraljud tid-av-flyg mellan inbäddade ultraljud sensor/sändare och olika givare delar av sonden. Hittills har ultraljud spårning begränsats till-plane spårning, som kraftigt har begränsat dess kliniska användning.
Här, en demonstration av hur 3D ultraljud spårning kan utföras med en anpassad ultraljud imaging sond och en fiberoptisk hydrofon anbringas inom kanylen ett nålsöga tillhandahålls (figur 1). Denna anpassade sond, som ritades av författarna och tillverkade externt, består av en central uppsättning givare element och fyra sida matriser. Centrala matrisen används för 2D ultraljudsundersökningar; de side arrayer, nål för 3D spets spårning i konsert med fiberoptiska ultraljud mottagaren. Det visas hur fiberoptisk ultraljud mottagaren kan placeras och anbringas inom nål kanylen, hur spårning riktigheten av systemet kan vara mätt på bänkmonterade och hur klinisk validering kan utföras.
Här visar vi hur 3D ultraljud spårning kan utföras med en anpassad ultraljud imaging sond och en fiberoptisk hydrofon integreras inom en nål. Från en översättning av kliniska synvinkel är flera aspekter av anpassade sonden utvecklades i denna studie attraktiva. Dess kompakta storlek är väl lämpad för användning i små utrymmen såsom axill där manövrering skrymmande 3D imaging sonder är utmanande. En begränsning av genomförandet av 3D ultraljud spårning presenteras här är att manuell växling var skyldig att alternera mellan imaging och spårning lägen. Implementeringar, denna övergång i framtiden kunde ske direkt av Ultraljudet imaging system.
Den fiberoptiska hydrofon är väl lämpad för ultraljud nål spårning. Hög grad av miniatyrisering och flexibilitet möjliggör dess integrering i medicintekniska produkter med små laterala dimensioner. Dess breda frekvens bandbredd16 möjliggör kompatibilitet med olika kliniska ultraljud sonder. Dessutom ger dess omnidirectionality16 för att spåra nålar som sätts på en mängd olika vinklar. Slutligen, dess immunitet mot störningar från EM fält och metallföremål gör det lämpligare att kliniska inställningar i motsats till EM spårning. För att uppnå större ultraljud upptäckt känslighet, skulle en plano-konkav Fabry-Pérot hålighet kunna användas i framtida17. Slutändan, ultraljud spårning kan kombineras med andra modaliteter i en enda optisk fiber, såsom reflektans spektroskopi18,19,20,21,22, 23, Raman spektroskopi24, optisk koherens tomografi25,26och photoacoustic imaging27,28,29,30 , 31 , 32 , 33.
Ultraljud spårning har begränsningar som delas med ultraljudsundersökningar. Först, vävnad heterogeneitiesna negativt kommer att påverka ultraljud spårning; rumsliga variationer i hastigheten av solitt av vävnad kommer minska spårning precision, vilket framgår av numeriska simuleringar i en tidigare studie14. Andra, anatomiska strukturer som är starkt reflekterande till ultraljudsvågor, såsom benstrukturer eller luft håligheter, förmodligen inte är kompatibla med ultraljud spårning. Studier, nål spets position erhålls med andra avbildningsmetoder, såsom 3D roterande C-arm datortomografi röntgen, kan i framtiden användas för att bedöma riktigheten av 3D ultraljud spårning i heterogena vävnader i vivo.
Trots senaste framsteg inom ultraljudsundersökningar förblir noggrann avläsning samt effektiv manipulation av medicintekniska produkter under ledning av denna stödform utmanande, även för expert utövare. Aktiv kommunikation mellan extern ultraljud sonder och medicintekniska produkter, kan som visas här, förbättra processuella säkerhet och effektivitet. Dessa förbättringar kunde underlätta antagandet av ultraljudsundersökningar i stället för röntgen genomlysning i flera kliniska sammanhang, såsom spinal infogningar för interventionell smärtbehandling. Systemet utvecklas i denna studie gör 3D ultraljud spårning och 2D ultraljud med en kompakt ultraljud sonden. Det skulle förbättra ultraljud-guidad minimalt invasiva ingrepp genom att tillhandahålla exakt lokalisering av nålens spets inom nuvarande kliniska arbetsflödet.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöds av en Innovative Engineering för hälsa award av Wellcome Trust (nr. WT101957) och verkstads- och Physical Sciences forskningsrådet (EPSRC) (nr. NS/A000027/1), av ett Wellcome/EPSRC Center award [203145Z/16/Z & NS/A000050/1], av en Starting Grant från European Research Council (Grant No. ERC-2012-STG, förslag 310970 MOPHIM), och av en EPSRC första Grant (nr. EP/J010952/1). A.L.D. stöds av UCL/UCLH NIHR omfattande Biomedical Research Centre. Författarna är tacksam för personal vid Royal Veterinary College för deras värdefulla hjälp med in-vivo -experiment.
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% |