Name: 基于光纤超声接收机的三维超声针尖跟踪 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-21T13:30:00.000+00:00
Duration: 4 min 33 s
Description: 学习基于光纤超声水听器的三维针尖追踪技术，用于超声引导的微创手术。该方法可在成像平面外15毫米处精确定位针尖，信噪比提高7.5倍，有效减少穿刺并发症并提升临床安全性。

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本工作获得了惠康基金会（Wellcome Trust，项目编号：WT101957）与工程与物理科学研究理事会（EPSRC，项目编号：NS/A000027/1）联合颁发的健康创新工程奖、惠康基金会/EPSRC研究中心奖（项目编号：203145Z/16/Z &amp;#38; NS/A000050/1）、欧洲研究理事会启动资助（ERC-2012-StG，提案编号：310970 MOPHIM）以及EPSRC首项资助（项目编号：EP/J010952/1）的支持。A.L.D. 获得伦敦大学学院/UCLH国家健康研究所综合生物医学研究中心（UCL/UCLH NIHR Comprehensive Biomedical Research Centre）的支持。作者对皇家兽医学院工作人员在in vivo实验中提供的宝贵协助表示感谢。

1. 系统硬件
<ol>
	<li>临床定制超声成像探头
	<ol>
		<li>为定制探头中的换能器元件布局创建草图设计，包括中心阵列和侧边阵列，并将设计提交给该探头的制造商。</li>
		<li>根据制造商的反馈，对定制探头进行详细设计，优化换能器的频率特性和几何结构（图2）。 
		注：通常，定制探头的制造商可设计电子系统、探头外壳以及与特定类型超声成像系统兼容的探头连接器。制造商还可集成一个操作模式切换开关（硬件），用于确定超声成像系统寻址的是哪一组128个元件。在成像模式下，系统寻址中心阵列；在追踪模式下，系统寻址侧边阵列。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>追踪针
	<ol>
		<li>选择一种光纤超声水听器，其包含一根在远端带有法布里-珀罗腔的单模光纤（外径（OD）：150 µm）。 
		注：带有远端法布里-珀罗腔的单模光纤水听器（外径：150 µm）可商业购得。在远端附近，常用于通信的光纤通常具有包层（外径：125 µm）、缓冲层（外径：250 µm）和护套（外径：900 µm）。</li>
		<li>使用手术刀沿光纤水听器长度方向靠近其远端处部分去除900微米的护套，暴露缓冲层，直至水听器能够适配进入针管内腔。 
		注：为保证机械强度，建议在靠近鲁尔接头的光纤段保留保护性缓冲层/护套。在护套去除后、尚未被针管保护前，应小心操作光纤的脆弱部分。</li>
		<li>将医用针头水平固定在手动水平平移台上，并使用体视显微镜观察针尖，显微镜的光轴应水平并对准针头且与其垂直。如有必要，绕针轴旋转针头，使显微镜能够观察到针头的斜面。</li>
		<li>在显微镜下观察针头远端时，将光纤超声接收器穿过Tuohy-Borst侧管接头的管腔，再经由针头的鲁尔接头插入，直至水听器的传感区域刚好位于针头斜面近端。此时，侧管接头不应连接至针头。将水听器用聚酰亚胺胶带固定在平移台上，以防止其在针头内移动。</li>
		<li>使用聚酰亚胺胶带将水听器固定在平移台上，防止装置在针头内发生位移。</li>
		<li>将一支20微升移液器垂直固定在垂直平移台上，使其尖端朝下，并利用水平和垂直平移台调整移液器尖端位置，使其紧邻光纤水听器，并位于其远端传感区域近端约0.5 mm处。</li>
		<li>在移液器近端滴加一滴光学胶粘剂，并调整针头位置，使移液器尖端与光纤超声接收器之间形成直接通路。</li>
		<li>然后使用10 mL注射器对移液器近端施加压力，缓慢将胶粘剂从远端挤出并注入光纤超声接收器中，注意避免将胶粘剂涂覆到传感区域或堵塞针管内腔，并用紫外光照射针尖直至光学胶粘剂完全固化。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 系统集成
<ol>
	<li>将水听器连接至其光学控制台。 
	注意：市面上可提供输出模拟电压信号（该信号与接收到的压力成正比）的光学控制台。</li>
	<li>将定制的超声成像探头连接至超声控制台。</li>
	<li>交替采集B型超声图像和用于追踪的编码超声脉冲10,14。在采集B型超声图像时，使用中央阵元执行脉冲-回波发射-接收序列。通过硬件开关控制访问的是侧边阵元还是中央阵元。</li>
	<li>使用数据采集（DAQ）卡，同步超声发射起始时刻，对水听器信号和时序信号进行数字化。</li>
	<li>处理并显示从脉冲-回波发射-接收序列中获取的信号，以获得B型超声图像。此外，处理并显示水听器信号，以确定光纤超声接收器相对于定制探头的位置。后一任务所用算法由Xia et al.12,14描述。</li>
	<li>将针尖位置叠加至B型超声图像上。为了在二维超声图像显示中呈现三维追踪信息，可用一个十字标记表示针尖位置（横向和深度坐标）；十字的大小和颜色则分别表示针尖相对于成像平面的平面外距离及其所在侧。</li>
</ol>
3. 临床前验证
<ol>
	<li>使用超声成像探头上的开关选择操作模式。</li>
	<li>在定制的超声成像探头上添加超声耦合凝胶。</li>
	<li>通过向胎儿超声模拟体模中加水以模拟羊水，制备体模。</li>
	<li>使用B型超声成像，在体模中识别羊水作为穿刺目标。 
	注意：穿刺目标取决于具体应用场景；在临床操作中，可能为用于诊断或治疗的特定组织区域，或在成像体模中指定的用于模拟组织区域的位置。</li>
	<li>将穿刺针朝向穿刺目标插入。在插入过程中，持续使用定制探头上的开关交替切换操作模式（成像模式与追踪模式）。</li>
</ol>

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</ol>

作者声明不存在利益冲突。

本文展示了如何利用定制的超声成像探头以及集成于针内的光纤水听器实现三维超声追踪。从临床转化的角度来看，本研究开发的定制探头具有多个优势。其紧凑的尺寸非常适合在腋窝等狭小空间内使用，而在这些区域操作体积较大的三维成像探头往往具有挑战性。本文所展示的三维超声追踪技术存在一个局限性，即需要手动切换成像模式与追踪模式。在未来的实现中，这种切换可由超声成像系统自动完成。
光纤水听器非常适合超声针定位。其高度微型化和柔韧性使其能够集成到横向尺寸较小的医疗器械中。其宽频带频率响应16可与多种临床超声探头兼容。此外，其全向性16可实现对以大角度范围插入的针具进行定位。最后，其对电磁场和金属物体干扰的免疫能力使其相比电磁定位更适用于临床环境。为进一步提高超声检测灵敏度，未来可采用平凹法布里-珀罗腔17。最终，超声定位可与其他多种功能集成于单根光纤中，例如反射光谱18,19,20,21,22,23、拉曼光谱24、光学相干断层成像25,26以及光声成像27,28,29,30,31,32,33。
超声跟踪存在与超声成像共有的局限性。首先，组织的非均质性会对超声跟踪产生负面影响；组织中声速的空间变化会降低跟踪精度，此前一项数值模拟研究已证实了这一点14。其次，对超声波高度反射的解剖结构（如骨性结构或含气空腔）可能不适用于超声跟踪。在未来的研究中，可利用其他成像方式（如三维旋转C型臂X射线计算机断层扫描）获取的针尖位置，来评估三维超声跟踪在非均质组织中in vivo的准确性。
尽管超声成像技术近年来取得了进展，但在该成像方式引导下对医疗器械进行精确定位和高效操控仍然具有挑战性，即使是经验丰富的临床操作者也不例外。如本研究所示，外部超声探头与医疗器械之间的主动通信可提高操作的安全性和效率。这些改进有望在多种临床场景中推动超声成像替代X射线透视的应用，例如用于介入性疼痛管理的脊柱穿刺。本研究开发的系统能够利用一个紧凑型超声探头实现三维超声定位和二维超声成像。该技术可通过在现有临床工作流程中精确显示针尖位置，从而改善超声引导下的微创操作。

在许多超声引导下的微创手术中，准确且高效地定位侵入性医疗器械备受关注。这类手术常见于区域麻醉和介入性疼痛管理1、介入肿瘤学2以及胎儿医学3等临床场景。在超声成像中，医疗器械尖端的可视化可能具有挑战性。在平面内穿刺过程中，当穿刺角度较陡时，针尖往往可见性较差。此外，在平面外穿刺过程中，针杆可能被误认为是针尖。当针尖无法通过超声清晰显示时，可能会因损伤关键组织结构而引发并发症。
目前有多种方法可用于在超声成像过程中定位医疗器械，但临床迫切需要一种既可靠又能与现有临床工作流程兼容的方法。使用回声增强表面可提高器械在大角度平面内插入时的可见性4。电磁跟踪系统可用于平面外插入操作，但电磁场干扰会显著降低其定位精度。在某些心脏和胎儿手术中，当医疗器械周围存在液体时，三维超声成像可改善其可视性5。然而，三维超声成像尚未广泛应用于穿刺针引导，部分原因在于图像解读较为复杂。
超声跟踪是一种在提高医疗器械可视性方面展现出巨大潜力的方法6,7,8,9,10,11,12,13,14。在超声跟踪中，医疗器械内置超声传感器或发射器，能够主动与外部超声成像探头进行通信。通过测量内置超声传感器/发射器与探头中不同换能器元件之间的超声飞行时间，即可确定医疗器械的位置。迄今为止，超声跟踪仅限于平面内跟踪，这在很大程度上限制了其临床应用。
本文演示了如何利用定制的超声成像探头以及固定在穿刺针套管内的光纤水听器实现三维超声追踪（图1）。该定制探头由作者设计并委托外部制造，包含一个中心换能器阵列和四个侧边阵列。中心阵列用于二维超声成像，侧边阵列则与光纤超声接收器协同实现针尖的三维追踪。文中展示了如何将光纤超声接收器定位并固定于穿刺针套管内，如何在实验台上测量系统的追踪精度，以及如何进行临床验证。

<table><tbody><tr><td>超声成像系统</td><td>BK超声（Ultrasonix）</td><td>SonixMDP</td><td></td></tr><tr><td>定制超声探头</td><td>佛蒙特州</td><td></td><td></td></tr><tr><td>脊髓穿刺针&amp;nbsp;</td><td>Terumo</td><td></td><td>20号规格</td></tr><tr><td>光纤水听器</td><td>精密声学</td><td></td><td></td></tr><tr><td>光纤剥线工具&amp;nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>FTS4</td><td></td></tr><tr><td>体视显微镜&amp;nbsp;</td><td>Leica Microsystems&amp;nbsp;</td><td>Z16APO</td><td></td></tr><tr><td>图希-博斯特侧臂连接器&amp;nbsp;</td><td>Cook Medical</td><td>PTBYC-RA</td><td></td></tr><tr><td>移液器&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>Eppendorf</td><td></td><td>100 mL</td></tr><tr><td>微量移液器吸头&amp;nbsp;</td><td>Eppendorf</td><td></td><td>20 &amp;micro;L</td></tr><tr><td>紫外光固化光学胶&amp;nbsp;</td><td>诺兰德产品</td><td>NOA81</td><td></td></tr><tr><td>注射器</td><td>Terumo</td><td></td><td>&amp;nbsp;10 mL</td></tr><tr><td>紫外光源&amp;nbsp;</td><td>Norland 产品</td><td>Opticure 4 光固化枪</td><td></td></tr><tr><td>数据采集卡&amp;nbsp;</td><td>国家仪器公司</td><td>USB-5132</td><td></td></tr><tr><td>关节臂&amp;nbsp;</td><td>CIVCO</td><td>811-002</td><td></td></tr><tr><td>硫喷妥钠&amp;nbsp;</td><td>诺华动物保健英国公司&amp;nbsp;</td><td></td><td>Thiovet</td></tr><tr><td>异氟烷</td><td>梅里亚动物保健</td><td></td><td>异氟烷-兽用</td></tr><tr><td>眼部润滑剂</td><td>Allergan，马洛，英国</td><td></td><td>Lacri-Lube</td></tr><tr><td>皮肤润滑剂</td><td>Adams Healthcare，加福斯，英国</td><td></td><td>Hibitane 2%</td></tr></tbody></table>

基于光纤超声接收器的三维超声针尖追踪技术

Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver

超声常用于引导微创手术，但在此成像模式下，医疗器械的可视化往往具有挑战性。当无法清晰显示器械时，可能导致器械对重要组织结构造成损伤。本文介绍一种在超声图像引导手术过程中追踪穿刺针尖位置的方法。该方法采用一种嵌入穿刺针套管内的光纤超声接收器，通过超声方式与外部超声探头进行通信。该定制探头包含一个中心换能器阵列和多个侧向换能器阵列。除中心阵列提供常规二维（2D）B模式超声成像外，侧向阵列还可实现三维（3D）针尖追踪。对于B模式超声成像，采用标准的发射-接收序列并结合电子波束成形技术。对于超声追踪，由4个侧向阵列发射Golay编码的超声信号，并由水听器传感器接收，随后对接收信号进行解码，以确定针尖相对于超声成像探头的空间位置。为初步验证该方法的有效性，已在接近临床实际的应用场景中进行了针体/水听器组合的穿刺实验。这种新型超声成像/追踪方法与现有临床工作流程兼容，可在针体平面内及平面外穿刺过程中提供可靠的器械追踪能力。

动物实验遵循英国英国内政部法规以及《动物（科学程序）法案》（1986年）的操作指南进行。绵羊的饲养遵循英国内政部有关动物福利的指导原则；实验在英国内政部项目许可证70/7408号下进行，该项目名称为“产前干细胞与基因转移治疗”。绵羊实验的伦理审批由英国伦敦大学学院以及皇家兽医学院动物福利伦理审查委员会提供。
在获得伦理批准后，使用一只怀孕绵羊进行临床前 体内 验证实验。如 David 等34 所述，母羊在连续两周接受阴道内黄体酮栓剂处理后，进行定时交配以诱导排卵。在妊娠第130天，一只怀孕母羊与其怀孕同伴羊一同禁食过夜。随后通过静脉注射硫喷妥钠 20 mg kg-1 诱导全身麻醉，并在经气管插管后通过呼吸机给予 2–2.5% 异氟烷与氧气混合气体维持麻醉。通过双侧听诊肺部呼吸音确认气管插管位置正确。通过角膜反射评估确认麻醉状态。使用舌部或耳部的血氧饱和度监测仪持续监测血氧饱和度。将母羊仰卧置于半卧位，并插入鼻胃管以减轻胃内容物压力。向眼部涂抹眼用润滑剂以保持湿润。剪除腹部羊毛后，使用皮肤消毒剂对母羊腹部进行两次擦洗消毒。在腹部涂抹无菌耦合剂，通过超声检查确认母羊的妊娠周期34 并评估胎儿体位。手术结束后，通过静脉注射过量硫喷妥钠（40 mg kg-1）实施人道安乐死。
操作者（A.L.D.）将脐带确定为目标。将一根穿刺针插入子宫腔，并追踪针尖沿某一路径前进，达到15 mm的偏平面距离和38 mm的深度（图3）。采用高莱编码（Golay coding）提高了信噪比，相较于传统的双极激励，信噪比提升了7.5倍（图3B）。三维追踪得到的针尖位置通过十字标记叠加在二维超声图像上，十字的宽度表示偏平面距离，颜色表示成像结果（步骤2.6）（图3C）。
<img alt="超声成像示意图，显示FOH传感器、针头、超声探头和PC/DAQ连接设置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：系统概述。 一种超声（US）成像/追踪探头可同时实现二维US成像和三维针头追踪。该探头由一台超声扫描仪驱动，后者可控制追踪元件的发射。一个开关可电子选择换能器元件，以在两种工作模式之间切换：中央阵列用于成像，侧边阵列用于追踪。一根置于20G针头内腔的光纤水听器（FOH）超声接收器，接收来自侧边阵列的信号。T/R：发射/接收；LT：行触发；FT：帧触发；PC：个人计算机；DAQ：数据采集卡。本图及图注经Xia, W. et al.14许可复制。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="超声探头设置示意图，包含成像、跟踪和声学透镜元件。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2：定制超声成像探头的换能器元件布局。 中央阵列包含128个元件并配有声学透镜，用于实现超声成像。侧边阵列每行32个元件，共128个元件，用于实现三维针状物跟踪。该图及图注经Xia, W. et al.14许可复制。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<img alt="超声探头与针头示意图；追踪X-Z方向的信噪比图表；带解剖结构标注的超声成像。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图3"> 
图3：基于三维追踪的针头插入 体内. (A) 在将穿刺针插入妊娠绵羊子宫腔的过程中获得的针尖追踪位置（圆圈：P1-P6）。B) 追踪信号的信噪比（SNR）（成像平面：X = 0）。C) 将3个追踪位置叠加至使用中央阵列获取的二维超声图像上。每个十字标记的端到端长度对应于偏离成像平面的距离；颜色（红色/黄色）表示相对于成像平面的侧向位置。关键解剖结构以轮廓线标示（右侧）。S：皮肤；PF：皮下脂肪；UW：子宫壁；AF：羊水；UC：脐带；FA：胎儿腹部。本图及图注经 Xia, W. 授权转载。 等14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>

在许多超声引导下的微创手术中，对侵入性医疗器械进行准确且高效的可视化至关重要。本文介绍了一种用于确定穿刺针尖相对于超声成像探头空间位置的方法。

超声常用于引导微创手术，但使用这种成像方式对医疗器械的可视化往往具有挑战性。

该方法有助于解答有关超声针头追踪的关键临床问题，即使针头位于成像平面之外时亦能提供有效信息。该技术的主要优势在于有助于消除因针头追踪不良而导致的并发症和损伤。与我共同演示该操作的是伦敦大学学院的研究助理 Sunish Mathews。首先选择一种由单模光纤构成的光纤超声水听器，其远端带有法布里-珀罗光学谐振腔。使用手术刀沿光纤水听器远端附近的长度方向部分去除900微米的护套，以暴露缓冲层，直至水听器能够装入针管套管内。接下来，将医用针头水平固定在手动水平平移台上，并使用体视显微镜观察针尖，调整显微镜的光学通路使其与针头水平且垂直对齐，必要时绕针轴旋转针头，直到能够观察到针头斜面为止。在观察到针头远端的情况下，将光纤超声接收器通过Tuohy-Borst侧臂接头的套管，再经由针头的鲁尔接头插入，直至水听器的传感区域刚好位于针尖斜面近端。使用聚酰亚胺胶带将水听器固定在平移台上，以防止装置在针头内移动。将一支20微升移液器垂直固定在垂直平移台上，使其尖端朝下，并利用水平和垂直平移台调整微移液器尖端的位置，使其紧邻光纤水听器，并位于远端传感区域近端约0.5毫米处。在微移液管的近端滴加一滴光学胶，调整针头位置，使微移液管尖端与光纤超声接收器之间形成直接通路。然后使用10毫升注射器从微移液管的远端缓慢将胶体注入光纤超声接收器中，注意避免将胶体涂布至传感区域或堵塞套管，并用紫外光照射针尖直至光学胶完全固化。为将水听器集成至成像系统，需将水听器连接至光学控制台，并将定制的超声成像探头连接至超声控制台。为确认水听器已准备好用于临床，选择超声成像探头的工作模式，并在探头上涂抹超声耦合剂。接着，向胎儿超声模拟体模中加入水以模拟羊水，并在探头上选择B模式成像。在体模中识别羊水区域作为穿刺目标。然后，使用定制探头上的开关在成像和跟踪操作模式之间持续切换，将针头朝向插入目标推进。在此代表性实验中，将一根针头插入子宫腔，并沿轨迹跟踪其尖端，达到15毫米的平面外距离和38毫米的深度。Golay编码提高了信噪比，相较于传统的双极激励，信号强度提升了7.5倍。然后将三维追踪的针尖位置叠加到二维超声图像上，使用十字标记表示，十字的宽度反映针尖与成像平面的垂直距离，颜色则表示对应的超声成像平面。超声追踪是一种技术，可帮助临床多个领域的护理人员相对于超声成像平面准确定位体内的医疗器械。观看本视频后，您应能充分理解将光纤水听器集成至临床用针头以实现超声追踪的关键步骤。一种紧凑型超声探头，其换能器元件位于主成像阵列附近，并配备直观的用户界面，有助于保持与临床工作流程的兼容性。

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基于光纤超声接收机的三维超声针尖跟踪

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评估超声引导下高强度聚焦超声相控阵系统在焦平面内的靶向准确性

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针刺过程中三维手指运动追踪：针灸手法运动学分析的解决方案

该方案包括换能器制造、参数报告、手术操作以及信号记录，涵盖了在自由活动小鼠中同步进行聚焦超声神经调控和光纤光度记录的整个操作流程。...

自由活动小鼠中同步进行聚焦超声神经调控与光纤光度记录

学习基于光纤超声水听器的三维针尖追踪技术，用于超声引导的微创手术。该方法可在成像平面外15毫米处精确定位针尖，信噪比提高7.5倍，有效减少穿刺并发症并提升临床安全性。

基于光纤超声接收器的三维超声针尖追踪技术

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