Summary
Denne studien beskriver en protokoll for å evaluere målretting nøyaktigheten i fokalplanet av en ultralyd-guidede høyintensiv fokusert ultralyd faset array system.
Abstract
Faset matriser brukes stadig som høy intensitet fokusert ultralyd (HIFU) transdusere i eksisterende ekstrakorporal ultralyd-guidede HIFU (USgHIFU) systemer. HIFU måleomformerne i slike systemer er vanligvis sfærisk i form med et sentralt hull hvor en amerikansk tenkelig sonde er montert og kan roteres. Bildet på flyet behandling kan rekonstrueres gjennom bildesekvens ervervet under rotasjonen av sonden. Behandlingen planen kan derfor gjøres på rekonstruert bilder. For å vurdere målretting nøyaktigheten i fokalplanet av slike systemer, protokoll for en metode som bruker en storfe er muskler og markør-embedded phantom beskrevet. I phantom tjene fire solid baller i hjørnene av en firkantet harpiks modell som referanse markører i rekonstruert bilde. Målet skal flyttes slik at både sentrum og midten av plassen modellen kan falle sammen i henhold til deres relative posisjoner i rekonstruert bilde. Svin muskler med en tykkelse på ca 30 mm plasseres over phantom å etterligne banen bjelke i klinisk innstillinger. Etter sonication, behandling flyet i phantom er skannet og grensen til den tilknyttede lesjonen er Hentet fra det skannede bildet. Målretting nøyaktigheten kan evalueres ved å måle avstanden mellom av mål og lesjon, samt tre nye parametere. Denne metoden kan bare evaluere målretting nøyaktigheten av målet som består av flere fokal flekker i stedet for en enkelt fokal sted i en klinisk relevante strålen bane USgHIFU faset array systemet, men det også kan brukes i preklinisk evalueringen eller vedlikehold av USgHIFU systemer konfigurert med faset array eller selv-fokuserte HIFU svinger.
Introduction
Faset array er stadig designet og utstyrt i HIFU systemer1,2,3,4,5,6,7. USgHIFU faset array systemer, er en amerikansk tenkelig sonde vanligvis montert i sentrale hullet av sfærisk HIFU svinger1,2,8. Sonden er roterbare målretting og bildet gjenoppbygging i tredimensjonal9. Nøyaktig målretting kreves for sikkerhet og effekt av HIFU behandling. Men er de fleste studiene for vurdering av målretting nøyaktighet utført for magnetisk resonans-guidede HIFU systemer eller USgHIFU systemer konfigurert med en selv-fokuserte HIFU svinger10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. formålet med metoden beskrevet nedenfor er å evaluere målretting nøyaktigheten i fokalplanet for USgHIFU i faset array systemer.
En storfe muskel/markør-embedded phantom langs klinisk relevante strålen banen brukes i evalueringen av målretting nøyaktigheten av en klinisk USgHIFU faset array system. En firkantet modell med fire baller i hjørnene er fabrikkert og innebygd, i kombinasjon med bovin muskler, i gjennomsiktig phantom. En vanlig sekskant velges basert på plasseringen av av fire baller identifisert i rekonstruert amerikanske bildet på behandling plan for målet. Etter HIFU sonications, behandling flyet av phantom er skannet og grensen til lesjonen og plasseringen av fire baller, kan fastslås i det skannede bildet. Målretting nøyaktigheten kan evalueres ved å måle avstanden mellom av mål og lesjon, samt tre nye parametere.
Metoden er enklere enn måling av målretting feil robot bevegelse med en spesiell referanse objektet11,17,18 og mer klinisk relevant i forhold til metoden basert på enkelt fokal spot ablasjon i en homogen phantom10. Denne metoden kan brukes i evalueringen av målretting nøyaktigheten av USgHIFU i faset array systemer. Det kan også brukes til andre USgHIFU-systemer som er utstyrt med selv-fokuserte HIFU transdusere.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. markør design og fabrikasjon
- Designe en kvadrat modell med dataassistert konstruksjon programvare. Angi hver side som pinner med lengder 40 mm og tykkelse på 2 mm. sted en solid ball med 10 mm diameter på hvert hjørne av den plassen modellen.
- Bruke akrylonitril butadien styren fotosensitive harpiks som materiale for utskrift.
- Send filen 3D-modellen til en produsent for fabrikasjon.
2. phantom forberedelse
- Knytte en plastsylinder (8 cm diameter) og en høyde på 3 cm til en akryl baseboard med silica gel å gjøre en fantom holder ved romtemperatur. La det sitte i 1 time.
- Skjær frisk bovin muskel i en firkantet form (30 mm x 30 mm, med en tykkelse på 10 mm) og ventilere for 2T til å fordampe fuktighet.
- Hell degassed og deionisert vann (115 mL) i et beaker, Legg i 13 g av akrylamid, og rør til oppløst. Legg 0,24 g bis-akrylamid og rør til oppløst. Legg deretter til 0,2 mL N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine og rør jevnt.
Merk: Sette på en maske og gummi hansker. - Forberede 5 mL degassed og deionisert vann i en annen kanne legge 0,3 g av ammonium persulfate og hisse for å oppløse.
FORSIKTIG: Akrylamid, bis-akrylamid, N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine og ammonium persulfate er giftige. Oppmerksom og unngå fysisk kontakt. - Suksessivt hell 40% av løsningene fra trinn 2.3 og 2.4 inn i phantom holderen, og rør i 5 s. La blandingen sitte for 20 min å stivne.
- Plasser 3D-trykt kvadrat modellen på overflaten av befestet phantom, og sette skiver bovin muskelen i modellen. Hell resten av løsningen fra trinn 2.3 inn i phantom holderen. Flytte bovin muskler og tilbake til å fjerne luft mellom grensesnittet av phantom og skive.
- Hell resten av løsningen i trinn 2.4 inn i phantom holderen, og rør i 5 s.
- Finjustere plasseringen av skiver bovin muskelen til midten av phantom tverrgående retning. La det sitte i 20 min å størkne phantom.
- Fjerne silica gel mellom sylindriske plast og akryl baseboard, med en skrutrekker.
- Sakte koble akryl baseboard fra sylindriske plast.
3. oppsett av USgHIFU
- Starte kliniske USgHIFU systemet.
- Slå på vann-bearbeiding modulen, og sette fart i vannsirkulasjon på 80 runder/min.
- Fyll en akryl sylindriske vanntank med (30 cm diameter) og en høyde på 13 cm med degassed vann ved romtemperatur (22-25 ° C).
- Plasser phantom holderen i degassed vannet og fastsette abonnenten tett.
- Flytte sylindriske vannbeholderen på behandling sengen. Løft behandling sengen og gå ned den terapeutiske enheten i degassed vannet.
4. U.S.-guidede målretting
- Flytte den terapeutiske enheten langsomt opp og ned for å sikre at dybden av behandling flyet ligger i øvre grensesnittet skiver bovin muskel og gjennomsiktig phantom i USA bildet.
- Rotere amerikanske tenkelig sonden å 0° og flytte sylindriske vannbeholderen gjøre roterende aksen (også referert til som tenkelig akse) gjennom midten punkt to parallelle pinner i USA bildet.
- Rotere tenkelig sonden til 90° og flytte sylindriske vannbeholderen gjøre roterende aksen gjennom midten punkt to parallelle pinner i USA bildet.
- Rekonstruere amerikanske bildet i behandling flyet i en dybde av geometriske fokus.
- Sjekk Hvis fire baller vises tydelig i rekonstruert amerikanske bildet og om målet er plassert i midten av plassen modellen.
Merk: Midten av målet er forhåndsdefinert i sentrum av rekonstruert bildet. Ballen bestemmes av en sirkel med 10 mm diameter, grå gjennomsnittsverdien som er høyest i en 15 x 15 mm firkantet. Midten av plassen modellen bestemmes av diagonalen i fire baller i rekonstruert bildet. - Flytte vannbeholderen etter de relative plasseringene mellom målet og firkantet modell, og Gjenta trinnene 4.4 og 4.5.
- Løft den terapeutiske enheten og sette svin muskler med en tykkelse på ca 30 mm over phantom. Deretter Flytt ned terapeutiske enheten til dybden av geometriske fokus er 3 mm under øvre overflaten av skiver bovin muskel.
Merk: 3 mm fokal korreksjon langs banen bjelke anslås etter tykkelsen av svin muskel basert på empiriske formel fra en tidligere studie19.
5. HIFU sonication
- Velg parameterne for følgende sonication: puls varighet (400 ms), driftssyklus (80%), akustisk power (400 W) og kjøling tid mellom sonication av påfølgende fokal (30 s).
- Angi eksponeringstid for fokal flekker i målet.
- Gjenta dette for tre konsentriske vanlige Sekskantet mål med respektive diagonaler 5.4 mm, 9 mm og 12.6 mm. Sett eksponering ganger 2.0 s, 2.5 s og 3.0 s focal flekker ligger i indre, midtre og ytre hexagon, henholdsvis, og 2.0 s foc Al spot på midten av faset array.
- Start på sonication og sette den ene foten på fotpedal for HIFU sonication.
- Observere endringen av echogenicity i USA bildet til sonications er fullført.
6. evaluering av målretting nøyaktigheten av USgHIFU faset array
- Hente phantom holderen, og jevnt trykk phantom å ta den ut.
- Delt phantom langs behandling flyet med en kniv.
- Skanne behandling flyet av phantom som inneholder skiver bovin muskelen.
- Behandle skannede bildet ved hjelp av matematisk programvare og ekstra grensene for målet og leksjonen.
- Beregn intercenter avstand dc og maksimal overshooting av målet grensen db.
Merk: dc er avstanden mellom av målet og sine respektive lesjon. d b er maksimalt overshooting avstanden mellom grenselinjen for lesjonen og respektive målet. - Beregne forholdet mellom områdene lesjon i og utenfor målet til målområdet som ηjeg = (SA ∩ SP) / SP og ηO = (SA - SA ∩ SP) / SP, henholdsvis.
Merk: SP angir målområdet, SA representerer lesjon området.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vi gjorde fantomer dedikert til evaluering målretting nøyaktigheten av en klinisk USgHIFU faset array system med målene for tre ulike størrelser. Figur 1 viser amerikanske bildet i vinkel på 0 ° og 90 °. Grensesnittene er klare stokker av plassen modellen er lyse i USA bilder. Figur 2 viser rekonstruert amerikanske bildet i behandling flyet og de fokal stedene i største målet. Av de fire ballene ble fastsatt av de blå sirklene av samme størrelse med den høyeste gjennomsnittlige grå verdien. Figur 3 viser de skannede bildene av behandling flyet av phantom og utdraget grensene av mål og lesjoner.
Vi kunne vurdere målretting nøyaktigheten i fokalplanet i henhold til parameterne dc, db, ηjegog ηO definert i § 6 i protokollen. Eksperimentene ble gjentatt tre ganger for hvert mål. Resultatene presenteres i tabell 1.
Figur 1 : US bilder i vinkler av 0° og 90°. Tykkelsen av svin muskel var rundt 30 mm. Vev-phantom-vev grensesnittene langs banen bjelke kan skilles. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2 : Rekonstruert amerikanske bildet i behandling flyet. De blå sirklene (med høyest gjennomsnittlig grå verdien i stiplede, røde firkanter) bestemmer plasseringen av fire baller og midten av plassen modellen, som også er midten av målene (rød stedet). Mørk brun rutene angir de fokal stedene i største vanlige Sekskantet målet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 : Skannede bilder og utdraget grensene for ulike mål etter HIFU sonication. (A) lesjoner av de tre målene med diagonaler 5.4 mm, 9 mm og 12.6 mm fra venstre til høyre. (B) utdraget tre målene (blå) og tilsvarende lesjoner (svart). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Diagonal på vanlig sekskant (mm) | d c (mm) | d b (mm) | Η Jeg | 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% |
Tabell 1: Sammendrag av parametre for å evaluere målretting nøyaktigheten. Verdiene for dc, db, ηjegog ηO ble uttrykt som gjennomsnittlig ± standardavvik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Robotic komponenter har blitt brukt for ekstrakorporal USgHIFU systemer. For å evaluere målretting nøyaktigheten av slike systemer, referanse markører11,12,18, har i vitro vev17, tumor-etterligne modeller og temperatur-sensitive fantomer brukt alene eller i kombinasjon 10,20. Sammenlignet med protokoller i disse studiene, denne metoden er mer klinisk relevant og gjør det lett å kvantifisere målretting feil i fokalplanet. Ved å kombinere merket med heterogene, gjennomsiktig phantom, er denne metoden endret fra en annen studie for å vurdere målretting nøyaktigheten av en USgHIFU system rettet mot brystet tumor ablasjon21. Vi har bekreftet virkningen av denne metoden med USgHIFU faset array systemet brukes på livmor fibroids i den tidligere studien22. Vi har utført tester uten fokal korreksjon langs banen bjelke, og bare en liten del (~ 2 mm i lengde) av lesjonen ble funnet i skiver bovin muskelen. Etter fokal korreksjon basert på empirisk formel19, ble lesjonen (~ 5 mm i lengde) funnet i skiver bovin muskler, som har bekreftet forbedring i målretting nøyaktighet langs banen bjelke. Videre er evalueringen av målretting nøyaktighet i fokalplanet mer praktisk verdi i forhold til metodene sikte på nøyaktigheten av en enkelt fokal spot for solid tumor ablasjon.
Valg av bovin muskler gjør lesjonen klart kan skilles fra de omkringliggende vev mot lesjoner opprettet i svin eller kylling musklene i vitro HIFU ablasjon. Inngåelse av bovin muskel/markør-embedded gjennomsiktig phantom er avgjørende for hele protokollen for evaluering målretting nøyaktigheten av USgHIFU faset array. I tillegg er bestemme om sentrene for målet og den plassen modellen sammenfaller avgjørende i evaluering prosedyre; dermed posisjonen på phantom må justeres. Den hvite intramuskulær septum i skiver bovin muskelen gjør terskelen segmentering nok til å trekke ut lesjon grensen fra det skannede bildet. manuell segmentering bør derfor brukes når det er nødvendig.
Det er fortsatt begrensninger på denne protokollen. Denne studien mål for vurdering av målretting nøyaktighet i fokalplanet bare, og det gjelder USgHIFU faset array systemer. Men USgHIFU system med en selv-fokuserte svinger, skal trinn 4.2-4.4 av protocol revideres. Amerikanske bildet i behandling flyet kan bli rekonstruert gjennom bildene av oversette amerikanske tenkelig sonden i stedet for av rotasjon, og de andre trinnene i protokollen forblir den samme. Nøyaktig evaluering av målretting nøyaktighet kan være nyttig når du prøver å redusere sikkerhetsmarginen og øke ablasjon volumet, som ville forbedre behandling-effekt. Videre er kan denne metoden brukes i kvalitetssikring av HIFU driftssystem.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Xiang Ji er en betalt konsulent for Zhonghui medisinsk teknologi (Shanghai) co, Ltd Andre forfattere ikke avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet har vært støttes delvis av den nasjonale Natural Science Foundation i Kina (81402522), Shanghai nøkkel teknologi R & D Program (17441907400) fra vitenskap og teknologi kommisjonen i Shanghai kommune og Shanghai Jiao Tong University Medisinsk Engineering Research Fund (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui medisinsk teknologi (Shanghai) co, Ltd er også anerkjent for USgHIFU systemet. Forfatterne takker Wenzhen Zhu og Junhui Dong for phantom utarbeidelsen og deres hjelp i forsøkene.
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
- Wang, S. B., He, C. C., Li, K., Ji, X. Design of a 112-channel phased-array ultrasonography-guided focused ultrasound system in combination with switch of ultrasound imaging plane for tissue ablation. 2014 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic Waves, and Device Applications (SPAWDA). , 134-137 (2014).
- Choi, J. W., et al. Portable high-intensity focused ultrasound system with 3D electronic steering, real-time cavitation monitoring, and 3D image reconstruction algorithms: a preclinical study in pigs. Ultrasonography. 33 (3), 191-199 (2014).
- Hand, J. W., et al. A random phased array device for delivery of high intensity focused ultrasound. Physics in Medicine and Biology. 54 (19), 5675-5693 (2009).
- Khokhlova, V. A., et al. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia. 87, 132-138 (2016).
- Melodelima, D., et al. Thermal ablation by high-intensity-focused ultrasound using a toroid transducer increases the coagulated volume results of animal experiments. Ultrasound in Medicine and Biology. 35 (3), 425-435 (2009).
- McDannold, N., et al. Uterine leiomyomas: MR imaging-based thermometry and thermal dosimetry during focused ultrasound thermal ablation. Radiology. 240 (1), 263-272 (2006).
- Köhler, M. O., et al. Volumetric HIFU ablation under 3D guidance of rapid MRI thermometry. Medical Physics. 36 (8), 3521-3535 (2009).
- Lu, M., et al. Image-guided 256-element phased-array focused ultrasound surgery. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 27 (5), 84-90 (2008).
- Tong, S., Downey, D. B., Cardinal, H. N., Fenster, A. A three-dimensional ultrasound prostate imaging system. Ultrasound in Medicine and Biology. 22 (6), 735-746 (1996).
- Sakuma, I., et al. Navigation of high intensity focused ultrasound applicator with an integrated three-dimensional ultrasound imaging system. Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention. , 133-139 (2002).
- Masamune, K., Kurima, I., Kuwana, K., Yamashita, H. HIFU positioning robot for less-invasive fetal treatment. Procedia CIRP. 5, 286-289 (2013).
- Li, K., Bai, J. F., Chen, Y. Z., Ji, X. The calibration of targeting errors for an ultrasound-guided high-intensity focused ultrasound system. 2017 IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications (MeMeA). , 10-14 (2017).
- Ellens, N. P. K., et al. The targeting accuracy of a preclinical MRI-guided focused ultrasound system. Medical Physics. 42 (1), 430-439 (2015).
- McDannold, N., Hynynen, K. Quality assurance and system stability of a clinical MRI-guided focused ultrasound system: Four-year experience. Medical Physics. 33 (11), 4307-4313 (2006).
- Gorny, K. R., et al. MR guided focused ultrasound: technical acceptance measures for a clinical system. Physics in Medicine and Biology. 51 (12), 3155-3173 (2006).
- Kim, Y. S., et al. MR thermometry analysis of sonication accuracy and safety margin of volumetric MR imaging-guided high-intensity focused ultrasound ablation of symptomatic uterine fibroids. Radiology. 265 (2), 627-637 (2012).
- Chauhan, S., ter Haar, G. FUSBOTUS: empirical studies using a surgical robotic system for urological applications. AIP Conference Proceedings. 911, 117-121 (2007).
- An, C. Y., Syu, J. H., Tseng, C. S., Chang, C. J. An ultrasound imaging-guided robotic HIFU ablation experimental system and accuracy evaluations. Applied Bionics and Biomechanics. 2017, 5868695 (2017).
- Li, D. H., Shen, G. F., Bai, J. F., Chen, Y. Z. Focus shift and phase correction in soft tissues during focused ultrasound surgery. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 58 (6), 1621-1628 (2011).
- N'Djin, W. A., et al. Utility of a tumor-mimic model for the evaluation of the accuracy of HIFU treatments. results of in vitro experiments in the liver. Ultrasound in Medicine and Biology. 34 (12), 1934-1943 (2008).
- Tang, T. H., et al. A new method for absolute accuracy evaluation of a US-guided HIFU system with heterogeneous phantom. 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). , 1-4 (2016).
- Li, K., Bai, J. F., Chen, Y. Z., Ji, X. Experimental evaluation of targeting accuracy of an ultrasound-guided phased-array high-intensity focused ultrasound system. Applied Acoustics. 141, 19-25 (2018).
