Summary
Este estudio describe un protocolo para evaluar la precisión de objetivo en el plano focal de un sistema de matriz por etapas guiada por ecografía de ultrasonido focalizado de alta intensidad.
Abstract
Phased arrays se usan cada vez más como transductores de ultrasonidos focalizados de alta intensidad (HIFU) en los sistemas existentes de extracorpórea guiada por ultrasonido HIFU (USgHIFU). Los transductores HIFU en tales sistemas son generalmente esféricos en forma con un agujero central donde una punta de prueba de proyección de imagen de Estados Unidos está montado y puede girarse. La imagen en el plano de tratamiento puede ser reconstruida a través de la secuencia de imágenes adquirida durante la rotación de la sonda. Por lo tanto, el plan de tratamiento se puede hacer en las imágenes reconstruidas. Para evaluar la precisión de objetivo en el plano focal de tales sistemas, el protocolo de un método usando un bovino músculo y marcador incrustado fantasma se describe. En el fantasma, cuatro bolas sólidas en las esquinas de un modelo de cuadrado resina sirven como los marcadores de referencia en la imagen reconstruida. El objetivo debe ser trasladado para que su centro y el centro del cuadrado modelo pueden coincidir según su posición relativa en la imagen reconstruida. Músculo de cerdos con un espesor de unos 30 mm se coloca por encima el fantasma para mímico la trayectoria de viga en ajustes clínicos. Después de la sonicación, se explora el plano de tratamiento en el fantasma y el límite de la lesión asociada es extraído de la imagen escaneada. La exactitud de selección puede evaluarse midiendo la distancia entre los centros de destino y la lesión, así como tres parámetros derivados. Este método no sólo evaluar la exactitud objetivo del objetivo que consiste en puntos focales múltiples en lugar de un solo punto focal en un camino de viga clínicamente relevantes del sistema de matriz por etapas de USgHIFU, pero puede también ser utilizado en la evaluación preclínica o mantenimiento de sistemas USgHIFU configurado con transductor HIFU de matriz por etapas o auto centrado.
Introduction
El arsenal cada vez más está diseñado y equipado en HIFU sistemas1,2,3,4,5,6,7. En sistemas de matriz por etapas de USgHIFU, una sonda de los Estados Unidos generalmente se monta en el agujero central del esférico HIFU transductor1,2,8. La sonda es rotativa para la reconstrucción de imagen y orientación en el espacio tridimensional9. Segmentación precisa es necesaria para la seguridad y eficacia del tratamiento con HIFU. Sin embargo, la mayoría de los estudios para la evaluación de apuntar exactitud se han realizado para sistemas HIFU guiado por resonancia magnética o USgHIFU sistemas configurados con uno focalizado HIFU transductor10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. el propósito del método descrito a continuación es evaluar la exactitud de selección en el plano focal para los sistemas de ultrasonido phased array de USgHIFU.
Un fantasma de músculo/marcador-embedded bovino a lo largo de la trayectoria de viga clínicamente relevantes se utiliza en la evaluación de la precisión objetivo de un sistema de matriz por etapas de USgHIFU clínico. Un modelo de cuadrado con cuatro bolas en las esquinas es fabricado y encajado, en combinación con músculo bovino, en el fantasma transparente. Un hexágono regular se selecciona como destino basado en las posiciones de los centros de cuatro bolas en la imagen reconstruida de Estados Unidos en el plano de tratamiento. Después de sonications HIFU, se explora el plano de tratamiento del fantasma, y en la imagen digitalizada se pueden determinar el límite de la lesión, así como las posiciones de las cuatro bolas. La exactitud de selección puede evaluarse midiendo la distancia entre los centros de destino y la lesión, así como tres parámetros derivados.
El método es más simple que la medición del error objetivo usando el movimiento robótico con una referencia específica objeto11,17,18 y más clínicamente relevantes en comparación con el método basan en solo focal ablación del spot en un fantasma homogénea10. Este método puede utilizarse en la evaluación de la precisión objetivo de phased array sistemas de USgHIFU. Puede utilizarse también para otros sistemas de USgHIFU equipados con transductores HIFU auto centrados.
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Protocol
1. marcador diseño y fabricación
- Diseño de un modelo de cuadrado usando software de diseño asistido por ordenador. Coloque cada lado como palillos con longitudes de 40 mm y espesores de 2 mm. lugar una bola sólida con un diámetro de 10 mm en cada esquina del cuadrado modelo.
- Utilizar resina fotosensible de acrilonitrilo-butadieno-estireno como material para impresión.
- Envíe el archivo de modelo 3D a un fabricante para la fabricación.
2. fantasma preparación
- Coloque un cilindro de plástico (diámetro de 8 cm) y una altura de 3 cm en una placa base acrílico con gel de silicona para hacer un titular fantasma a temperatura ambiente. Dejar reposar 1 h.
- Corte muscular bovina fresca en forma de cuadrados (30 mm x 30 mm, con un espesor de 10 mm) y ventilarlo por 2 h para evaporar la humedad.
- Vierta el agua desgasificado y desionizado (115 mL) en un vaso de precipitados, agregar en 13 g de acrilamida y revuelva hasta que se disuelva. Agregue 0,24 g de bis-acrilamida y revuelva hasta que se disuelva. Luego, agregar 0,2 mL de N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine y revuelva uniformemente.
Nota: Ponga en una máscara y guantes de goma. - Preparar 5 mL de agua desionizado y desgasificado en otro vaso de precipitados, Añadir 0,3 g de persulfato de amonio y mezclar para disolver.
PRECAUCIÓN: La acrilamida, bis-acrilamida, N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine y persulfato de amonio son tóxicos. Preste atención y evite el contacto físico. - Sucesivamente verter 40% de las soluciones de los pasos 2.3 y 2.4 en el soporte del fantasma y revuelva durante 5 s. Deje la mezcla reposar por 20 min a solidificar.
- Pon el modelo cuadrado impreso en 3D en la superficie del fantasma solidificada y el músculo bovino en rodajas en el centro del modelo. Vierta el resto de la solución del paso 2.3 en el soporte del fantasma. Mover el músculo bovino hacia adelante y hacia atrás para eliminar el aire entre la interfaz del fantasma y la rebanada.
- Vierta el resto de la solución preparada en paso 2.4 en el soporte del fantasma y agitar durante 5 s.
- Ajustar con precisión la ubicación del músculo bovino en rodajas en el centro del fantasma en la dirección transversal. Dejar reposar 20 minutos para solidificar el fantasma.
- Retirar el gel de sílice entre el plástico cilíndrico y la placa de base acrílico, usando un destornillador.
- Lentamente suelte el acrílico zócalo de plástico cilíndrico.
3. configuración del sistema USgHIFU
- Inicie el sistema de USgHIFU clínico.
- Encienda el módulo de tratamiento de agua y ajustar la velocidad de circulación del agua a 80 redondos por minuto.
- Llenar un tanque de agua cilíndrico acrílico con (un diámetro de 30 cm) y una altura de 13 cm con agua desgasificada a temperatura ambiente (22-25 ° C).
- Coloque el soporte del fantasma en el agua desgasificada y fijar el soporte firmemente.
- Mover el tanque de agua cilíndrico en la cama de tratamiento. Levante la cama de tratamiento y el aparato terapéutico en el agua desgasificado.
4. nosotros-dirigida contra
- Mueva lentamente hasta la unidad terapéutica y hacia abajo para asegurarse de que la profundidad del plano de tratamiento se encuentra en la interfaz superior del músculo bovino en rodajas y fantasma transparente en la imagen de Estados Unidos.
- Rotar la sonda de imagen de Estados Unidos a 0° y mover el tanque de agua cilíndrico para hacer el eje de rotación (también denominado eje de proyección de imagen) pasan por el punto medio de los dos palos paralelos en la imagen de Estados Unidos.
- Rotar la sonda de imagen a 90° y mover el tanque de agua cilíndrico para hacer el eje de rotación pasa por el punto medio de los dos palos paralelos en la imagen de Estados Unidos.
- Reconstruir la imagen de Estados Unidos en el plano de tratamiento en la profundidad del foco geométrico.
- Comprobar si las cuatro bolas se muestran claramente en la imagen reconstruida de Estados Unidos y si el objetivo está situado en el centro del modelo cuadrado.
Nota: El centro del blanco está predeterminado en el centro de la imagen reconstruida. La pelota es determinada por un círculo con un diámetro de 10 mm, el valor de gris medio de los cuales es más alto en un 15 x 15 mm cuadrado. El centro del Plaza modelo está determinado por la diagonal de las cuatro bolas en la imagen reconstruida. - El tanque de agua se mueven según las posiciones relativas entre el objetivo y el modelos cuadrado y repetir pasos 4.4 y 4.5.
- Levantar la unidad terapéutica y del músculo de cerdos con un espesor de alrededor de 30 mm por encima del fantasma. A continuación, mueva hacia abajo la unidad terapéutica hasta la profundidad del foco geométrico es de 3 mm debajo de la superficie superior del músculo bovino en rodajas.
Nota: La corrección focal de 3 mm a lo largo de la trayectoria de la viga se calcula según el grosor del músculo de cerdos basado en la fórmula empírica de un estudio anterior de19.
5. sonicación HIFU
- Seleccione los siguientes parámetros de sonicación: duración del pulso (400 ms), ciclo de trabajo (80%), acústico de potencia (400 W) y tiempo entre la sonicación de sucesivos puntos focales de enfriamiento (30 s).
- Configurar el tiempo de exposición para los puntos focales en el destino.
- Repita el procedimiento para tres objetivos hexagonales regulares concéntricos con respectivas diagonales de 5,4 mm, 9 mm y 12,6 mm. tiempos de exposición sistema de 2.0 s, 2,5 s y 3.0 s para los puntos focales ubicados en el hexágono interno, medio y externo, respectivamente y 2.0 s del foc al punto en el centro geométrico del phased array.
- Iniciar la sonicación y poner un pie en el pedal para la sonicación de HIFU.
- Observar el cambio de ecogenicidad de la imagen de Estados Unidos hasta que se terminen las sonications.
6. evaluación de la precisión dirigida a USgHIFU matriz fases del sistema de las
- Obtener el soporte del fantasma y presione suavemente el fantasma para llevarlo a cabo.
- Dividir el espectro en el plano de tratamiento usando un cuchillo.
- Análisis del plano de tratamiento del fantasma que contiene el músculo bovino en rodajas.
- Procesar la imagen escaneada utilizando software matemático y extraer los límites de la blanco y la lesión.
- Calcular la distancia intercenter dilataciónc y la máxima sobrepasando los límites de la meta límite db.
Nota: dc es la distancia entre los centros de destino y su lesión respectivo. d b es la máxima superación distancia entre el límite de la lesión y su respectivo objetivo. - Calcular el cociente de las áreas de lesión dentro y fuera el objetivo para el área de la blanco como η = (SA ∩ SP) / SP y ηO = (SA - SA ∩ SP) / SP, respectivamente.
Nota: SP indica el área de la blanco, SA representa el área de la lesión.
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Representative Results
Hicimos fantasmas dedicada a evaluar la precisión objetivo de un sistema de matriz por etapas clínica de USgHIFU con los objetivos de tres tamaños diferentes. Figura 1 muestra la imagen de Estados Unidos en los ángulos de 0 ° y 90 °. Las interfaces son claras, y los palillos del modelo cuadrado son brillantes en las imágenes de los Estados Unidos. Figura 2 se muestra la imagen reconstruida de Estados Unidos en el plano de tratamiento y los puntos focales del objetivo más grande. Los centros de las cuatro bolas fueron determinados por los círculos azul del mismo tamaño con el valor promedio más alto de la gris. La figura 3 muestra las imágenes del plano de tratamiento del fantasma y los límites extraídos de los objetivos y las lesiones.
Fuimos capaces de evaluar la exactitud de selección en el plano focal según los parámetros de dilataciónc, db, ηy ηO definido en el artículo 6 del protocolo. Los experimentos se repitieron tres veces para cada destino. Los resultados se presentan en tabla 1.
Figura 1 : Imágenes de Estados Unidos en los ángulos de 0° y 90°. El espesor del músculo de cerdos era alrededor 30 milímetros. Se pueden distinguir las interfaces tejido de fantasma a lo largo de la trayectoria de viga. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Reconstruir la imagen de Estados Unidos en el plano de tratamiento. Los círculos azules (con el valor gris promedio más alto en plazas discontinua roja) determinan las posiciones de cuatro bolas y el centro del modelo cuadrado, que es también el centro de los objetivos (el punto rojo). Las plazas marrón oscuras indican los puntos focales en el más grande destino hexagonal regular. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : Imágenes escaneadas y extrajeron los límites de los diferentes objetivos después de la sonicación de HIFU. (A) lesiones de los tres objetivos con diagonales de 5,4 mm, 9 mm y 12,6 mm de izquierda a derecha. (B) extraídos de los tres objetivos (azul) y las lesiones correspondientes (negro). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Diagonal del hexágono regular (mm) | d c (mm) | d b (mm) | Η Me | Η O |
| 5.4 | ± 0,6 0,3 | 1.6 ± 0.3 | 100 ± 0% | 45 ± 11% |
| 9.0 | 0,9 ± 0,3 | 1,7 ± 0,6 | 98 ± 1% | 40 ± 6% |
| 12.6 | 1,1 ± 0,4 | ± 1,7 0,7 | 96 ± 3% | 20 ± 6% |
Tabla 1: Resumen de parámetros para evaluar la precisión dirigida a. Los valores de dilataciónc, db, ηy ηO se expresaron como media ± desviación estándar.
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Discussion
Componentes de robóticos se han utilizado para sistemas de USgHIFU extracorpóreos. Para evaluar la precisión de objetivo de estos sistemas, las referencia marcadores11,12,18, tejido in vitro17, modelos de tumor-mimic y fantasmas sensibles a la temperatura se han utilizado solos o en combinación 10,20. En comparación con los protocolos en esos estudios, este método es más clínicamente relevante y hace que sea fácil de cuantificar el error apuntado en el plano focal. Al combinar el marcador de referencia con el fantasma heterogéneo, transparente, este método ha sido modificado desde otro estudio para evaluar la precisión de objetivo de un sistema de USgHIFU a la de ablación de tumor de mama21. Hemos verificado la eficacia de este método con nuestro sistema de matriz por etapas de USgHIFU utilizado en los miomas uterinos en el anterior estudio22. Hemos realizado pruebas sin corrección focal a lo largo de la trayectoria de la viga, y se encontró sólo una pequeña parte (~ 2 mm de longitud) de la lesión en el músculo bovino en rodajas. Después de la corrección focal basada en la fórmula19, la lesión (~ 5 mm de longitud) fue encontrada en el músculo bovino en rodajas, que ha confirmado la mejora en la precisión de objetivo a lo largo de la trayectoria de viga. Por otra parte, la evaluación de la focalización de la exactitud en el plano focal es de valor más práctico en comparación con los métodos para la precisión de un solo punto focal para la ablación de tumores sólidos.
La selección del músculo bovino hace la lesión claramente distinguibles del tejido circundante en comparación con las lesiones creadas en músculos de cerdo o pollo por la ablación de HIFU in vitro. La realización del fantasma transparente músculo/marcador-embedded bovina es fundamental para el protocolo entero de la evaluación de la precisión objetivo del sistema de matriz por etapas de USgHIFU. Además, la determinación de si los centros de la meta y el modelo cuadrado coinciden es esencial en el procedimiento de evaluación; por lo tanto, la posición de la fantasma tiene que ser ajustado. El blanco tabique intramuscular en el músculo bovino en rodajas hace la segmentación de umbral insuficiente para extraer los límites de la lesión de la imagen escaneada; por lo tanto, la segmentación manual debe utilizarse cuando sea necesario.
Todavía hay limitaciones en el presente Protocolo. Este estudio tiene como objetivo para la evaluación de exactitud en el plano focal sólo de apuntar, y es aplicable a sistemas de arreglos de fase USgHIFU. Sin embargo, para sistemas de USgHIFU con un transductor de auto centrado, pasos 4.4 4.2 del protocolo deberían revisarse. La imagen de Estados Unidos en el plano de tratamiento puede ser reconstruida a través de las imágenes adquiridas por traducir la sonda de imagen de Estados Unidos en vez de por la rotación, y los otros pasos en el protocolo siguen siendo los mismos. La evaluación precisa de apuntar exactitud puede ser útil cuando se trata de reducir el margen de seguridad y aumentar el volumen de la ablación, que mejoraría la eficacia del tratamiento. Además, este método puede utilizarse en el aseguramiento de la calidad de lo HIFU sistema de conducción.
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Disclosures
Xiang Ji es un consultor pagado para la tecnología médica de Zhonghui (Shanghai) Co., Ltd. Otros autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo ha sido apoyado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias naturales de China (81402522), el Shanghai clave tecnología R & D programa (17441907400) de la ciencia y tecnología Comisión del municipio de Shanghai y Shanghai Jiao Tong University Fondo de investigación de ingeniería médica (YG2017QN40, YG2015ZD10). Tecnología médica Zhonghui (Shanghai) Co., Ltd. también es reconocida por ofrecer el sistema de USgHIFU. Los autores agradecen Wenzhen Zhu y Junhui Dong para la preparación de fantasma y su ayuda en los experimentos.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acrylamide | Amresco | D403-2 | |
| Acrylic baseboard | LAO NIAO STORES | customized | |
| Acrylic cylindrical water tank | LAO NIAO STORES | customized | |
| Ammonium persulfate | Yatai United Chemical Co., Ltd (Wuxi, China) | 2017-03-01 | |
| Beaker | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Bis-acrylamide | Amresco | M0172 | |
| Bovine muscle | Market | ||
| Chopping board | JIACHI | JC-ZB40 | |
| Cylindrical plastic phantom holder | QIYINPAI | customized | |
| Degassed deionized water | made by the USgHIFU system | ||
| Electric balance | YINGHENG | 11119453359 | |
| Glass rod | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Knife | SHIBAZI | SL1210-C | |
| Mask | Medicom | 2498 | |
| N,N,N’,N’–Tetramethylethylenediamine | Zhanyun Chemical Co., Ltd (Shanghai, China) | ||
| Rubber glove | AMMEX | YZB/MAL 0587-2018 | |
| Scanner | Fuji Xerox | DocuPrint M268dw | |
| Screwdriver | Stanley | T6 | |
| Silica gel | GE | 381 | |
| Square model | QIYINPAI | customized | |
| Stainless steel spoons | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Sucker | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Swine muscle | Market | ||
| USgHIFU system | Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd. | SUA-I |
References
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