Summary
本研究では、超音波ガイド下高強度集束超音波フェイズド アレイ システムの焦点面のターゲティング精度を評価するためのプロトコルについて説明します。
Abstract
フェイズド アレイは、既存の体外超音波ガイド下 HIFU (USgHIFU) システムで高強度集束超音波 (HIFU) トランスデューサーとしてますます使用されます。このようなシステムで HIFU トランスデューサーは、通常球状米国イメージング用プローブがマウントされているし、回転することができます中央の穴で。治療の平面上のイメージは、プローブの回転中に取得イメージ シーケンスを再構築できます。したがって、再構築された画像を治療計画が可能です。このようなシステムでは、ウシを用いたプロトコルのフォーカル プレーンでターゲットの精度を評価するために筋肉とマーカーに埋め込まれたファントム、説明します。幻の正方形樹脂モデルの四隅に 4 つの固体ボール再生像の参照のマーカーとして機能します。そのセンターと正方形モデルの中心の両方ことができます像内の相対位置に応じて一致するようにターゲットを移動させなければなりません。約 30 mm の厚さと豚の筋肉は臨床設定でビーム パスを模倣するファントム上に配置します。超音波処理後、幻に治療面がスキャンされ、関連付けられている病変の境界がスキャンした画像から抽出しました。ターゲティングの精度は、3 つの派生パラメーターと同様に、ターゲットと病変の中心間の距離を測定することによって評価できます。このメソッドはのみ USgHIFU フェイズド アレイ システムの臨床的に関連するビーム パスの単焦点よりもむしろ複数の焦点スポットから成るターゲットのターゲティング精度を評価できませんが、前臨床評価にも使用することができますかフェイズド アレイまたは自己焦点 HIFU トランスデューサーで構成された USgHIFU システムの定期的なメンテナンス。
Introduction
フェイズド アレイにますます設計、HIFU システム1,2,3,4,5,6,7装備。USgHIFU フェイズド アレイ システムで米国イメージング用プローブは通常球状 HIFU トランスデューサー1,2,8の中央の穴にマウントされます。プローブは、三次元空間9ターゲットと画像再構成のため回転可能。正確にターゲットは、HIFU 治療の有効性と安全性に必要です。ただし、ターゲティング精度の評価のための研究のほとんど HIFU システムの磁気共鳴誘導または自己焦点 HIFU トランスデューサー10、11,で構成された USgHIFU システムに対して実行されて12,13,14,15,16. 下記の方法は USgHIFU フェイズド アレイ システムの焦点面のターゲティング精度を評価します。
臨床的に関連するビームの道牛筋マーカー埋め込まれたファントムは、臨床 USgHIFU フェイズド アレイ システムのターゲットの精度の評価で使用されます。四球四隅を正方形モデルが作製し、透明ファントムに牛筋との組み合わせで、埋め込まれました。正六角形は、治療面に米国像で識別される 4 つのボールの中心の位置に基づく対象として選択されます。HIFU sonications 後幻の治療面がスキャンされ、スキャンしたイメージで、病変の境界だけでなく、4 つのボールの位置を決定できます。ターゲティングの精度は、3 つの派生パラメーターと同様に、ターゲットと病変の中心間の距離を測定することによって評価できます。
メソッドが特定の参照オブジェクト11,17,18とロボットの動きを使用してターゲット エラーの測定よりも単純であり単一焦点に基づいてメソッドと比較してより臨床的に関連します。均質ファントム10スポット アブレーション。このメソッドは、USgHIFU フェイズド アレイ システムのターゲットの精度の評価で使用することができます。自己焦点 HIFU トランスデューサーを搭載した他の USgHIFU システムにも使用できます。
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Protocol
1. マーカーの設計と作製
- コンピューター支援設計ソフトウェアを使用して正方形モデルを設計します。40 mm の長さおよび厚さの 2 mm. 位正方形モデルの各コーナーに直径 10 mm のソリッド ボールとスティックとそれぞれの側を設定します。
- アクリロニ トリル ・ ブタジエン ・ スチレンの感光性樹脂を使用して、印刷のための材料として。
- 3 D モデルのファイルを製造メーカーに送信します。
2. ファントムの準備
- (直径 8 cm) と高さ 3 cm のプラスチックの筒を室温でファントム ホルダーにシリカゲルとアクリル ベースボードに接続します。1 時間に座ってみましょう。
- 正方形 (30 mm × 30 mm、10 mm の厚さで) に新鮮な牛筋をスライスし、水分を蒸発させるために 2 時間換気します。
- ビーカーに脱・脱イオン水 (115 mL) を注ぎ、アクリルアミド、13 g で追加、溶けるまでかき混ぜます。Bis アクリルアミドの 0.24 g を加えて溶けるまでかき混ぜます。追加、0.2 mL の N、N、N'、N'-テトラメチルエチレンジアミンと均一に撹拌します。
注: は、マスクとゴム手袋を置きます。 - 5 mL の別のビーカーに脱と脱イオン水を準備、過硫酸アンモニウムの 0.3 g を追加して、溶解する攪拌します。
注意: アクリルアミド、bis アクリルアミド、N、N、N'、N'-テトラメチルエチレンジアミン、過硫酸アンモニウム、有毒。細心の注意を払うし、物理的な接触を避けます。 - 引き続いてファントム ホルダーに手順 2.3 と 2.4 からソリューションの 40% を注ぎ、撹拌 5 s。混合物を固めるために 20 分間座ってみましょう。
- 凝固のファントムの表面に 3 D プリントの正方形モデルを置き、モデル途中でスライスした牛筋を入れてください。ファントムのホルダーにステップ 2.3 からソリューションの残りの部分を注ぐ。牛筋幻のインターフェイスとスライスの間の空気を除去して前後に移動します。
- 5 を使ってかき混ぜるファントム ホルダーに 2.4 をステップで準備ソリューションの残りの部分を注ぐ s。
- 横方向に沿ってファントムの中央にスライスした牛筋の位置を微調整します。ファントムを固めるために 20 分間座ってみましょう。
- 円筒状のプラスチックやアクリルのベースボード、ドライバーを使用しての間のシリカゲルを削除します。
- ゆっくりと円筒状のプラスチックからアクリルのベースボードをデタッチします。
3. USgHIFU システムのセットアップ
- 臨床の USgHIFU システムを起動します。
- 水処理モジュールをオンにし、80 発/分で水循環の速度を設定します。
- 部屋の温度 (22-25 ° C) で脱水 (直径 30 cm) と高さ 13 cm のアクリル円筒形水槽を入力します。
- ガスを抜かれた水にファントムのホルダーを置き、ホルダーをしっかりと固定します。
- 治療ベッドの上に円筒形の水タンクを移動します。治療ベッドを持ち上げて脱水治療ユニットを移動します。
4. 米国-導かれるターゲット
- 治療ユニットを徐々 に上がり移動上下治療面の深さは、スライスした牛筋と米国のイメージに透明な幻の上位インタ フェースではあるかどうかを確認します。
- 0 ° に米国イメージング用プローブを回転し、回転の軸 (イメージング軸とも呼ばれる) 米国のイメージの 2 つの平行棒の中間点を通過する円筒形貯水タンクを移動します。
- 90 ° にイメージング用プローブを回転し、米国のイメージの 2 つの平行棒の中間点を通過する軸方向に円筒形の水タンクを移動します。
- 幾何学的な焦点の深さで治療面で米国のイメージを再構築します。
- 米国の再生像とターゲットが正方形モデルの中心にあるかどうかで 4 つのボールが明確に表示されますを確認します。
注: ターゲットの中心は、再構成画像のセンター所定です。ボールは、平均グレー値は、15 mm × 15 mm 正方形が最も高く、10 φ の円によって決定されます。正方形モデルの中心は、再構成画像の 4 つのボールの対角線によって決まります。 - ターゲットとスクエア モデル、および繰り返し手順 4.4 と 4.5 の間の相対的な位置によると水タンクを移動します。
- 治療ユニットを持ち上げて、幻の上約 30 mm の厚さで豚筋肉を置きます。幾何学的な焦点深度が 3 mm スライスした牛筋の上部の表面の下にまで、治療ユニットを移動します。
注: ビーム パスに沿って 3 mm 焦点距離補正は以前研究19から経験式に基づく豚筋の厚さによると推定されます。
5. HIFU 超音波処理
- 次超音波パラメーターを選択: パルス持続時間 (400 ms)、デューティ サイクル (80%)、音響 (400 W) の電源、冷却連続焦点スポットの超音波処理の間の時間 (30 秒)。
- ターゲットの焦点スポット用の露光時間を設定します。
- 2.0 の 5.4 mm、9 mm、12.6 mm セットの露出時間のそれぞれ分割した 3 つの同心円正規六角形ターゲットに対して手順を繰り返します s、2.5 s、および 3.0 秒, 内, 中, と外側の六角にある焦点スポット 2.0 で、foc の s。アルは、フェイズド アレイの幾何学的な中心にスポット。
- 超音波処理を開始、HIFU 超音波用フットペダルに片足を置きます。
- Sonications が完了するまでは、米国のイメージの変化を観察します。
6. USgHIFU フェイズド アレイ システムのターゲットの精度の評価
- ファントムのホルダーをフェッチし、スムーズに八つ当たりするファントムを押します。
- ナイフを使用しての治療面に沿ってファントムを分割します。
- スライスした牛筋を含む幻の治療面をスキャンします。
- 数学ソフトウェアを使用してスキャンした画像を処理し、ターゲットと病変の境界を抽出します。
- Intercenter 距離dcおよびターゲットの境界dbの最大オーバー シュートを計算します。
注: dcはターゲットのセンターとそのそれぞれの病変との間の距離です。dbは、それぞれのターゲットと病変の境界の間の距離をオーバー シュート最大です。 - Ηは私としてターゲット領域にターゲット外病変の面積の比を計算 = (SA ∩ SP)/ SPとηO = (SA- SA ∩ SP)/ SP、それぞれ。
メモ: SPを対象領域、 SA病変領域を表します。
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Representative Results
ファントムは 3 つの異なるサイズのターゲットを持つ臨床 USgHIFU フェイズド アレイ システムのターゲティング精度を評価するため専用としました。図 1は、0 °、90 ° の角度で米国のイメージを表示します。インターフェイスが明確で、US 像の明るい正方形モデルのスティックです。治療面で最大のターゲットの焦点スポット、米国像を図 2に示します。最高平均グレー値と同じサイズの青丸で 4 つのボールの中心を求めた。図 3は、幻の治療面とターゲットと病変の抽出された境界のスキャンされたイメージを示しています。
Dc、 db、 η私のパラメーターに従ってフォーカル プレーンのターゲティング精度を評価することができましたし、 ηOプロトコルのセクション 6 で定義されています。実験は、ターゲットごとに 3 回を繰り返した。結果がで表示されます表 1.
図 1: 0 ° および 90 ° の角度で US 像。豚筋の厚さ約 30 mm であった。ビーム経路に沿って組織ファントム インターフェイスを区別できます。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: 治療の面で米国のイメージを再構築します。(赤い破線の四角形内の最大平均グレー値) と青色の円は、4 つのボールの位置とターゲット (赤い点) の中心はまた正方形のモデルの中心を決定します。暗い茶色の正方形は、最大通常六角形ターゲットに焦点を示しています。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: 画像をスキャンし、HIFU 超音波処理後の異なるターゲットの境界を抽出します。5.4 mm、9 mm、右に左から 12.6 mm の対角線で 3 つのターゲット (A) 病変。(B) (青) の 3 つの目標と対応する病変 (黒) の境界を抽出しました。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。
| 正六角形 (mm) の対角 | dc(mm) | db(mm) | Η私 | ΗO |
| 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% |
表 1: ターゲットの精度を評価するためのパラメーターの概要です。Dc、 db、 η私、およびηOの値は、平均 ± 標準偏差として表現されました。
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Discussion
ロボット コンポーネントは、体外の USgHIFU システムに使用されています。このようなシステムでは、参照マーカー11,12,18, ターゲットの精度を評価するには、体外組織17、腫瘍模倣モデル、および温度に敏感なファントム使用されている単独で、またはの組み合わせで10,20。これらの研究のプロトコルと比較して、このメソッドより臨床的に関連して、焦点面ターゲット エラーを定量化しやすきます。異機種混在、透明ファントムとリファレンス ・ マーカを組み合わせて、このメソッドは、乳房腫瘍焼灼21を目的とした USgHIFU システムのターゲットの精度評価のための別の研究から変更されています。以前研究22で子宮筋腫に私たち USgHIFU フェイズド アレイ システムでこのメソッドの有効性を検証しました。我々 はビームのパスに沿って焦点補正なしのテストを実行しているし、スライスした牛筋病変の小さい部分 (長さ ~ 2 mm) だけが見つかった。19の経験式に基づく焦点補正後、ビーム経路ターゲティングの精度向上を確認しました薄切りの牛筋病変 (~ 5 mm 長さ) が見つかりました。また、ターゲティング精度焦点面での評価は固形腫瘍焼灼法に用いる単一焦点の精度を目的としたメソッドと比較してより実用的な価値。
牛筋の選択は、病変を体外の HIFU の切除によって豚または鶏の筋肉で作成した病変と比較して周囲の組織からはっきり区別可能になります。牛筋/マーカーに埋め込まれた透明なファントムの製作は USgHIFU フェイズド アレイ システムのターゲットの精度の評価の一連のプロトコルにとって重要です。さらに、ターゲットとスクエア モデルのセンターが一致するかどうかの決定は評価の手順で重要ですしたがって、調整するファントムのニーズの位置。スライスした牛筋の白い筋肉中隔によりしきい値分割スキャンした画像から病変境界を抽出するには不十分したがって、必要な場合は、マニュアルでのセグメンテーションを使用する必要があります。
まだ、このプロトコルには制限があります。この研究の目的はターゲットにのみ、焦点面の精度の評価のため、USgHIFU フェイズド アレイ システムに適用します。ただし、自己集束探触子 USgHIFU システムでプロトコルの手順 4.2 4.4 を改正すべき。治療面で米国のイメージを回転の代わりに米国イメージング用プローブを変換した画像を再構築できるし、プロトコルの他の手順は変わりません。安全マージンを軽減し治療効果を改善するアブレーションの音量を上げることを試みるときターゲティング精度の正確な評価が役に立ちます。また、このメソッドは、HIFU 運転システムの品質保証に使用できます。
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Disclosures
翔智は海中慧医療技術 (上海) 雇われたコンサルタント (株)他の作家が何を開示するあります。
Acknowledgments
中国の国家自然科学基金 (81402522)、上海キー技術 R & D プログラム (17441907400) から科学と技術委員会の上海市、上海交通大学にこの作品の一部でサポートします。医療工学研究基金 (YG2017QN40、YG2015ZD10)。海中慧医療技術 (上海) 株式会社も USgHIFU システムを提供することを認めています。著者は、ファントムの作製と実験に彼らの支援のため金朱と俊恵東をありがとうございます。
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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