Summary
Это исследование описывает протокол для оценки точности таргетинга в фокальной плоскости системы фазированной УЗИ руководствуясь высокой интенсивности фокусированного ультразвука.
Abstract
Фазированных решеток все чаще используются в качестве высокой интенсивности фокусированного ультразвука (HIFU) преобразователи в существующих Экстракорпоральная УЗИ руководствуясь HIFU (USgHIFU) системах. HIFU преобразователи в таких системах обычно сферическую форму с центральным отверстием, где США изображений Датчик монтируется и может быть повернут. Изображение на плоскости лечения могут быть реконструированы через последовательность изображений, приобретенных во время вращения зонда. Таким образом план лечения могут быть сделаны на восстановленные изображения. Для того чтобы оценить точность таргетинга в фокальной плоскости таких систем, протокол метода с помощью бычьего мышц и внедрен маркер Фантом описано. В Фантом четыре твердые шарики на углах квадратных смолы модели служат ссылки маркеров в восстановленные изображения. Цели следует перенести таким образом, чтобы его центр и центр площади модели могут совпадать согласно их относительные позиции в восстановленные изображения. Мышцы свиной с толщиной около 30 мм находится выше Фантом для имитации луча в клинических условиях. После sonication проверки плоскости обращения в Фантом и границы связанные поражения добывается из отсканированного изображения. Точность ориентации можно оценить, измеряя расстояние между центрами целевой и поражения, а также три производных параметров. Этот метод не только оценить таргетинга точность целевого, состоящий из нескольких точек фокуса, вместо того, чтобы пятно один фокуса в клинически значимых луча фазированной системы USgHIFU, но он также может использоваться в доклинической оценке или регулярное техническое обслуживание систем USgHIFU с фазированной или самостоятельно целенаправленной HIFU датчика.
Introduction
Фазированных чаще спроектирован и оборудован в HIFU систем1,2,3,4,5,6,7. В USgHIFU фазированной систем США изображений зонд обычно монтируется в центральное отверстие сферической HIFU датчика1,2,8. Зонд вращающийся для ориентации и образ восстановления в трехмерном пространстве9. Для безопасности и эффективности лечения HIFU требуется точной ориентации. Однако большинство исследований для оценки точности таргетинга выполнены для магнитного резонанса руководствуясь HIFU систем или систем USgHIFU с самостоятельной целенаправленной HIFU датчик10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. описанный ниже метод предназначен для оценки точности таргетинга в фокальной плоскости для USgHIFU фазированных систем.
Говядину мышцы/маркер встроенный Фантом вдоль клинически значимых луча используется в оценке определение точности системы фазированной клинических USgHIFU. Квадратный модель с четырьмя мячами в углах сфабрикованы и встроенных, в сочетании с бычьим мышц, в прозрачный призрак. Правильного шестиугольника выбран в качестве цели, основанные на позициях центров четыре шарика, выявленных в реконструированных США изображении на плоскости лечения. После sonications HIFU проверки плоскости лечения Фантом, и границы поражения, а также позиции четырех шаров, может быть определен в отсканированного изображения. Точность ориентации можно оценить, измеряя расстояние между центрами целевой и поражения, а также три производных параметров.
Этот метод проще, чем измерение нацеленности ошибки с использованием роботизированной движение с конкретной ссылки объекта11,17,18 и более клинически значимых по сравнению с методом на основе разовая очаговая пятно абляции в однородной Фантом10. Этот метод может использоваться при оценке точности таргетинга USgHIFU фазированных систем. Он может использоваться также для других USgHIFU систем, оснащенных собственной целенаправленной HIFU преобразователи.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. маркер дизайн и изготовление
- Дизайн модели квадратный, с использованием автоматизированного проектирования программного обеспечения. Значение каждой стороне как палочки с длиной 40 мм и толщиной 2 мм в. место сплошной шар диаметром 10 мм на каждом углу площади модели.
- Используйте в качестве материала для печати акрилонитрил бутадиен стирола светочувствительной смолой.
- Отправьте файл 3D модели производителя для изготовления.
2. Фантом подготовка
- Придаем пластиковый цилиндр (диаметром 8 см) и высотой 3 см акриловые платы с силикагель сделать призрак держателя при комнатной температуре. Пусть это сидеть в течение 1 ч.
- Нарезать свежей говядины мышцы квадратной формы (30 мм x 30 мм, с толщиной 10 мм) и проветривать его за 2 ч до испарения влаги.
- Налить дегазации и деионизированной воды (115 мл) в стакан, добавить в 13 g акриламида и размешайте до растворения. Добавьте 0,24 g бис-акриламида и размешайте до растворения. Затем, добавить 0,2 мл N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine и перемешать равномерно.
Примечание: Наденьте маску и резиновые перчатки. - Подготовить 5 мл дегазации и обессоленной воды в другой стакан, добавить 0,3 г, Аммония персульфат и движение, чтобы распустить.
Предупреждение: Акриламида, бис акриламида, N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine и Аммония пероксодисульфат являются токсичными. Уделять пристальное внимание и избегать физического контакта. - Последовательно налить 40% решений от шагов 2.3 и 2.4 в Фантом держатель и размешивают в 5 s. Пусть смесь сидеть за 20 минут, чтобы затвердеть.
- Место квадратных модель 3D-печать на поверхности затвердевший Фантом и положить нарезанный говядины мышц в середине модели. Залейте остальные решения от шага 2.3 в Фантом держатель. Переместите говядину мышцы взад и вперед, чтобы удалить воздух между интерфейсом Фантом и срез.
- Влить остальной раствор, приготовленный в шаг 2.4 в Фантом держатель и размешивают в 5 s.
- Настраивать расположение нарезанный говядины мышцы в центр phantom в поперечном направлении. Пусть это сидеть в течение 20 мин закрепить фантом.
- Удалите силикагель между цилиндрических пластиковых и акриловые платы, с помощью отвертки.
- Медленно снимите плате акриловые из цилиндрических пластика.
3. Настройка системы USgHIFU
- Запустите систему клинических USgHIFU.
- Включите модуль обработки воды и установите скорость циркуляции воды на 80 выстрелов/мин.
- Заполните акриловые цилиндрический резервуар (диаметром 30 см), высота 13 см с дегазации воды при комнатной температуре (22-25 ° C).
- Установите держатель Фантом в дегазации воды и исправить держателя плотно.
- Переместите цилиндрический резервуар на лечение кровать. Поднимите лечения кровать и двигаться вниз лечебный блок в дегазации воды.
4. США руководствуясь ориентации
- Перемещение блока терапевтических медленно вверх и вниз, чтобы убедиться, что глубина плоскости лечения расположен на верхней интерфейс ломтики говядины мышц и прозрачный призрак в имидж США.
- Поворот изображений зонд США до 0° и переместить цилиндрический резервуар сделать вращающейся оси (также называется изображений оси) проходят через середину двух параллельных палочки в имидж США.
- Поворот изображений зонд до 90° и переместить цилиндрический резервуар сделать оси вращения проходят через середину двух параллельных палочки в имидж США.
- Восстановите имидж США в плоскости лечения на глубине геометрических фокус.
- Проверьте, если четыре шарика ясно показано в реконструированных имидж США и ли целевой объект расположен в центре площади модели.
Примечание: Центр мишени предопределено в центре восстановленные изображения. Мяч определяется круг диаметром 10 мм, среднее значение серого которых является самым высоким в 15 x 15 мм кв. Центр площади модели определяется по диагонали четыре мяча в восстановленные изображения. - Переместите бак для воды согласно относительной позиции между целью и площади модель и повторите шаги 4.4 и 4.5.
- Поднимите лечебный блок и поместить свиней мышц с толщиной около 30 мм выше фантом. Затем переместите вниз лечебный блок до глубины геометрических фокус 3 мм ниже верхней поверхности ломтики говядины мышцы.
Примечание: 3 мм коррекции фокуса на пути луча оценивается по толщине мышцы свиней, основанный на эмпирическая формула от предыдущего исследования19.
5. HIFU sonication
- Выберите следующие параметры sonication: длительность импульса (400 мс), нагрузка (80%), акустическая мощность (400 Вт) и время между sonication последовательных точек фокуса охлаждения (30 s).
- Установите время экспозиции для фокуса пятна в целевом объекте.
- Повторить процедуру три концентрические регулярные гексагональной целей с соответствующими диагоналями 5,4 мм, 9 мм и 12,6 мм. Установка экспозиции времен 2.0 s, 2.5 s и 3.0 s для фокуса пятна, расположенные на внутренней, средним и внешним шестиугольника, соответственно и 2.0 s для foc Эль пятно в геометрическом центре фр.
- Запустите sonication и поставить одну ногу на педаль для HIFU sonication.
- Наблюдать изменения эхогенности в имидж США до завершения sonications.
6. Оценка таргетинга точности системы фазированной USgHIFU
- Принести держателя Фантом и плавно нажмите Фантом принять его.
- Разделение Фантом вдоль плоскости лечения с помощью ножа.
- Проверки плоскости лечения Фантом, содержащий ломтики говядины мышцы.
- Обрабатывать отсканированные изображения, используя математическое обеспечение и извлекать границ целевого и поражения.
- Рассчитайте intercenter расстояние dc и Максимальное превышение целевого граница db.
Примечание: dc — это расстояние между центрами целевого объекта и его соответствующих поражения. d b является максимальное превышение расстояние между границей поражения и его соответствующих целевых. - Вычислить коэффициент очагов поражения внутри и за пределами целевого объекта в целевой области как η,я = (SA ∩ SP) / SP и ηO = (SA - SA ∩ SP) / SP, соответственно.
Примечание: SP указывает целевой области, SA представляет область поражения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Мы сделали фантомы, посвященный оценке таргетинга точность клинической системы фазированной USgHIFU с целями трех разных размеров. Рисунок 1 показывает образ США под углом 0 ° и 90 °. Интерфейсы являются ясными, и палочки квадратные модели яркие в США изображений. Рисунок 2 демонстрирует реконструированный имидж США в плоскости лечения и фокуса пятна крупнейших целевого объекта. Центры четыре шарика определялись синие круги того же размера с самым высоким усредненное значение серый. Рисунок 3 показывает отсканированные изображения плоскости лечения Фантом и извлечения границ целей и поражений.
Мы смогли оценить точность таргетинга в фокальной плоскости по параметрам dc, d,b, η,я, и ηO определены в статье 6 протокола. Эксперименты были повторяется три раза для каждой цели. Результаты представлены в Таблица 1.
Рисунок 1 : США изображения под углом 0° и 90°. Толщина мышцы свиней составила около 30 мм. Можно выделить интерфейсы ткани Фантом ткани вдоль луча. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2 : Реконструкция имидж США в плоскости лечения. Синие круги (с самым высоким средний серый значением в красной пунктирной квадратов) определить позиции четыре мяча и центр квадратных модели, которая является также центром цели (красные пятна). Темно коричневый квадраты указывают фокуса пятна в крупнейших регулярные шестигранный целевой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3 : Отсканированные изображения и извлечено границ различных целей после HIFU sonication. (A) поражения трех целей с диагоналями 5,4 мм, 9 мм и 12,6 мм слева направо. (B) извлекаются границы трех целей (синий) и соответствующие поражений (черный). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| Диагональ правильного шестиугольника (мм) | d c (мм) | d b (мм) | Η Я | 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% |
Таблица 1: резюме параметров для оценки точности таргетинга. Значения dc, d,b, η,яи ηO были выражены как среднее ± стандартное отклонение.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Роботизированные компоненты были использованы для экстракорпоральной USgHIFU систем. Для оценки точности таргетинга таких систем, ссылка маркеры11,12,18, в пробирке ткани17, опухоль имитировать модели и чувствительных к температуре призраки были использованы отдельно или в сочетании 10,20. По сравнению с протоколами в этих исследованиях, этот метод является более клинически значимых и делает его легко для количественного определения ориентации ошибка в фокальной плоскости. Объединив ссылку маркера с гетерогенными, прозрачный призрак, был изменен этот метод из другого исследования для оценки точности таргетинга USgHIFU системы, направленной на груди опухоль абляции21. Мы проверили эффективность этого метода с нашей системой фазированной USgHIFU используется на миомы матки в предыдущем исследовании22. Мы провели тесты без коррекции фокуса на пути луча, и только небольшая часть (~ 2 мм в длину) поражения была найдена в ломтики говядины мышц. После коррекции фокуса, основанный на эмпирическая формула19поражения (~ 5 мм в длину) был найден в ломтики говядины мышцу, который подтвердил улучшение в точности таргетинга на пути луча. Кроме того оценки ориентации на точность в фокальной плоскости является более практическую ценность по сравнению с методов, направленных на точность одной фокуса местом для твердых опухолей абляции.
Выбор говядину мышц делает поражения четко отличимы от окружающих тканей по сравнению с поражений, созданных в пробирке HIFU абляции в свинину или курица мышц. Изготовление говядину мышцы/маркер встроенный прозрачный призрак имеет решающее значение для всего протокола оценки ориентации точность системы фазированной USgHIFU. Кроме того определение ли совпадают центров целевой и площади модель имеет важное значение в рамках процедуры оценки; Таким образом позиция фантома необходимо скорректировать. Белый внутримышечной перегородки в ломтики говядины мышц делает порог сегментации, недостаточно, чтобы извлечь границы поражения из отсканированного изображения; Таким образом ручная Сегментация должны использоваться при необходимости.
Есть еще ограничения к настоящему Протоколу. Это исследование направлено для оценки ориентации точность в фокальной плоскости только, и это применимо к USgHIFU фазированной систем. Однако для USgHIFU систем с самостоятельной целенаправленной датчика, шаги 4.2-4.4 протокола должны быть пересмотрены. Имидж США в плоскости лечения могут быть восстановлены посредством изображения, полученные путем перевода изображений зонд США вместо ротации, и другие шаги в протоколе остаются теми же. Точные оценки ориентации точность может быть полезно при попытке уменьшить запас и увеличить объем абляции, который повысит эффективность лечения. Кроме того этот метод может использоваться в качества HIFU вождения системы.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Цзи Сян является консультантом платных медицинских технологий Zhonghui (Шанхай), ООО Другие авторы имеют ничего не разглашать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана в части национального фонда Китая естественных наук (81402522), Шанхай ключ технологии R & D программы (17441907400) от Шанхайский университет науки и технологии Комиссии муниципалитета Шанхая Фонд исследований медицинской техники (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui медицина (Шанхай) Co., Ltd. также признается для обеспечения системы USgHIFU. Авторы благодарят Wenzhen Чжу и Джуньху Донг Фантом подготовки и их помощь в экспериментах.
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).
