Abstract
Harmonic Motion-Imaging für fokussierten Ultraschall (HMIFU) ist eine Technik, durchzuführen und zu überwachen hochintensiven fokussierten Ultraschall (HIFU) Ablation kann. Eine oszillierende Bewegung an dem Mittelpunkt einer 93-Element und 4,5 MHz Mittelfrequenz HIFU Wandlers durch Anlegen einer 25 Hz amplitudenmodulierten Signals über einen Funktionsgenerator erzeugt wird. Ein 64-Element und 2,5 MHz Bildwandler mit 68kPa Spitzendruck konfokal in der Mitte des HIFU Wandler an die Hochfrequenz (HF) Kanaldaten erwerben wird. In diesem Protokoll wird die Echtzeitüberwachung der thermischen Ablation mit HIFU mit einer akustischen Leistung von 7 W auf Hunde- Leber in vitro beschrieben. HIFU-Behandlung basiert auf dem Gewebe während 2 min aufgetragen und die abgetragenen Bereichs wird in Echtzeit unter Verwendung von divergierenden oder ebene Welle Bildgebung bis zu 1.000 Bilder / Sekunde abgebildet. Die Matrix der HF-Kanaldaten durch eine Dünnmatrix für die Bildrekonstruktion multipliziert. Das rekonstruierte Sichtfeld von 90 ° zum Ablenken waVE und 20 mm für die ebene Welle Bildgebung und die Daten bei 80 MHz abgetastet. Die Rekonstruktion basiert auf einer Graphical Processing Unit (GPU), um Bild in Echtzeit an einem 4,5-Anzeige Bildrate durchgeführt. 1-D normierte Kreuzkorrelation der rekonstruierten HF-Daten können verwendet werden, um axiale Verschiebungen im Fokusbereich zu schätzen. Der Betrag des Spitzen-zu-Spitzen-Verschiebung am Fokustiefe bei der thermischen Ablation die Versteifung des Gewebes aufgrund der Bildung einer Läsion zeigt abnimmt. Die Verschiebung Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR d) im Schwerpunktbereich für die ebene Welle war 1,4-mal höher als bei divergierenden Wellen zeigen, dass die ebene Welle Bildgebung scheint besser Displacement-Maps Qualität für HMIFU als divergierende Wellen Bildgebung in der Herstellung.
Protocol
Dieses Protokoll wurde von der Institutional Animal Care und Verwenden Ausschuss der Columbia University zugelassen. All die Datenerfassung und -verarbeitung wurden unter Verwendung der Matlab Umgebung.
1. Versuchsaufbau
- Entgasen eine ex vivo Eckzahn Leberprobe während 90 min. Gab Leberprobe in einem Behälter mit entgaster Phosphat-gepufferter Lösung (1) gefüllt. Befestigen Sie die Leberprobe auf einem akustischen Absorber mit Nadeln an den Enden der Leber.
- Legen Sie eine 64-Element, 0,32 mm Pitch, 2,5 MHz Mittenfrequenz Phased-Array (Imaging) durch eine kreisförmige Öffnung in der Mitte eines 93-Element-Halbkugel Array HIFU-Wandler (therapeutischen) bei 4,5 MHz Mittenfrequenz, 70 mm Brennweite und befindet 1,7 mm x 0,4 mm Brenn Größe 11. Richten Sie beide Wandler koaxial und befestigen Sie die Bildwandler in die therapeutische Wandler mit Stellschrauben.
- Decken Sie die HIFU-Wandler mit avolume gesteuerten Polyurethan-Membran mit fließenden entgastes Wasser, um es abzukühlen gefüllt. Montieren Sie den Schwinger auf einem computergesteuerten 3-D Stellungsregler.
- Schließen Sie das HIFU Wandler an einen Funktionsgenerator Senden einer 25 Hz amplitudenmodulierte Sinuswellenform mit 500 mV maximale Amplitude. Schließen Sie den Bildwandler mit einem voll programmierbaren Ultraschallsystem mit der Software Matlab.
ANMERKUNG: Eine Software mit dem Ultraschallsystem zugeordneten und mit dem MATLAB-Umgebung besitzt, um den Computer mit dem System verbunden installiert werden. Ein 50 dB HF-Verstärker und ein Anpassungsnetzwerk sollte zwischen dem HIFU-Wandler und dem Funktionsgenerator zu verstärken jeweils die Kraft und die Impedanz platziert werden. - Erstellen einer polaren Raster, Matlab, beginnend 50 mm von der Oberfläche der Matrix und 40 mm Höhe in der radialen Richtung mit einer räumlichen Schritt des 9,625 & mgr; m und von 90 ° in azimutaler Richtung mit 128 Zeilen und dem der Ursprung der focus des divergierenden Welle. Definition der Quelle des divergierenden Wellen 10,24 mm (die Hälfte der Größe der Öffnung) hinter der Oberfläche der Anordnung und in der Querrichtung zentriert ist.
- Schaffen ein kartesisches Gitter, Matlab, beginnend 50 mm von der Oberfläche des Arrays und 40 mm tief in der axialen Richtung mit einer räumlichen Schritt des 9,625 & mgr; m und 20 mm Breite in der seitlichen Richtung mit 64 Zeilen für die ebene Welle. Definition der Quelle der ebenen Welle auf der Oberfläche des Arrays. Für jedes Raster, berechnen die Zeit von der Quelle zu jedem Punkt des Gitters und zurück zu jedem Element des Arrays.
- Geben Sie "ReconMat_DW" für divergierende Wellen Bildgebung oder "ReconMat_PW" für die ebene Welle Bildgebung in der Matlab-Befehlsfenster, und drücken Sie "Enter", um eine Rekonstruktionsmatrix mit einem Standard-Verzögerungs- und Summenalgorithmus für jeden Gitter zugeordnet erstellen. Gelten die Verzögerungs- und Summenalgorithmus, um jeden Vektor der Standardbasis und Abrufen der Nicht-Nullen Elements der resultierenden Matrix 11. Zuweisung der aus der resultierenden Matrix zu der schwachbesetzten Matrix an der entsprechenden Position erhalten Nicht-Null-Elemente. Speichern Sie die Rekonstruktionsmatrix auf der Computer-Festplatte.
Hinweis: Die divergierenden und die ebene Welle Methoden verwenden zwei verschiedene Rekonstruktions Matrizen.- Werft das Rekonstruktionsmatrix auf eine GPU-Matrix. Geben Sie "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" für divergierende Wellen Bildgebung oder "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" für die ebene Welle Bildgebung in der Matlab-Befehlsfenster, und drücken Sie "Enter", um eine Setup-Datei für die Ultraschall-Kanal-Datenerfassung mit dem Skript mit der Phased-Array verbunden sind und vom Hersteller zur Verfügung zu erstellen des Ultraschallsystems. Benennen Sie die Setup-Datei "P4-2Flash_DivergingWave.mat" für divergierende Wellen Bildgebung und "P4-2Flash_PlaneWave.mat" für die ebene Welle Bildgebung.
Hinweis: Ein kommerzielles Software-Paket muss auf dem Computer installiert sein to warf den Wiederaufbau Sparse Matrix auf eine GPU-Matrix.
- Werft das Rekonstruktionsmatrix auf eine GPU-Matrix. Geben Sie "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" für divergierende Wellen Bildgebung oder "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" für die ebene Welle Bildgebung in der Matlab-Befehlsfenster, und drücken Sie "Enter", um eine Setup-Datei für die Ultraschall-Kanal-Datenerfassung mit dem Skript mit der Phased-Array verbunden sind und vom Hersteller zur Verfügung zu erstellen des Ultraschallsystems. Benennen Sie die Setup-Datei "P4-2Flash_DivergingWave.mat" für divergierende Wellen Bildgebung und "P4-2Flash_PlaneWave.mat" für die ebene Welle Bildgebung.
- Synchronisieren des Ultraschallsystems mit der Funktionsgenerator mit einem externen Trigger so dass eine hohe Bildrate Ultraschalldatenerfassung der Leber beginnt gleichzeitig als HIFU.
- Öffnen Sie Matlab. Führen Sie das Setup-Script "SetUpP4_2Flash_4B.m" durch das Ultraschallsystem-Hersteller, um B-Modus-Bildgebung zu verwenden ist. Benennen Sie die Setup-Datei erstellt: "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Verwenden Sie die "VSX" Befehl und als "Name der Datei, um .mat Prozess:" wird aufgefordert werden, geben Sie den Namen der Setup-Datei "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Schieben Sie beide Wandler und verwenden Sie das B-Modus-Anzeige, die auf dem Bildschirm erschienen, um sie in der Zielregion der Leber zur Ablation zu positionieren. Ziel einer Region etwa 1 cm unter der Oberfläche der Leber zu hohen Ultraschalldämpfung durch Absorption zu vermeiden. Speichern einer herkömmlichen B-Mode-Bild der Leber auf dem Computer.
Hinweis:Hier führten wir HIFU Ablation bei 11 verschiedenen Orten in zwei Leberproben durch Bewegen der Wandler mit dem 3-D Stellungsregler für jede Ablation.
2. Ultraschall-Datenerfassung
- Öffnen Sie Matlab. Verwenden Sie den Befehl "VSX" und als "Name der Datei, um .mat Prozess:" wird aufgefordert werden, geben Sie den Namen der Setup-Datei "P4-2Flash_DivergingWave.mat" für divergierende Wellen Bildgebung oder "P4-2Flash_PlaneWave.mat" für die ebene Welle Imaging. Starten Sie die HIFU und wenden es in 2min zu der Zielregion.
- Erwerben Sie die HF-Kanaldaten mit 1.000 Bildern pro Sekunde während 2 min mit divergierenden Wellen. Alternativ erwerben die HF-Kanaldaten mit 1.000 Bildern pro Sekunde während 2 min unter Verwendung von ebenen Wellen.
- Übertragen Sie die Daten an einen Host-Computer alle 200 Frames über eine PCI-Express-Kabel. Alternativ für die Echtzeit-Streaming, erwerben die RF-Kanaldaten bei 167 Bildern pro Sekunde während 2 min unter Verwendung von ebenen Wellen und transfer die Daten an einen Hostcomputer alle 2 Frames.
Hinweis: Die bildgebenden Verfahren mit einem Satz von 200 Bildern bietet hohen zeitlichen Auflösung innerhalb jedes Satzes, sondern schaffen Lücken zwischen jedem Satz und für Offline-Verarbeitung geeignet ist. Abbildungsverfahren bei 167 fps eine niedrigere zeitliche Auflösung aber keine Lücken über die gesamte Ablation Zeit zu schaffen und für die Echtzeit-Streaming geeignet ist. - Wandeln Sie das HF-Kanaldatenmatrix in eine einfache Genauigkeit GPU-Matrix mit Matlab. Multiplizieren Sie die HF-Kanaldatenmatrix durch die Rekonstruktionsmatrix, um die rekonstruierten HF-Daten 11 zu erhalten.
3. Displacement Imaging
- Erstellen Sie eine 6. Ordnung Butterworth-Tiefpassfilter bei 4 MHz Grenzfrequenz unter Verwendung des DSP System Toolbox von Matlab. Wenden Sie dieses Tiefpassfilter, um den rekonstruierten HF-Daten herausfiltern, die 4,5 MHz HIFU-Komponente.
- Schätzen Sie die axiale Verschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Frames unter Verwendung von 1-D normalisierten Kreuzkorrelationmit einem 3,1 mm-Fensterlänge und 90% überlappen.
- Erstellen Sie eine 6. Ordnung Butterworth-Tiefpassfilter bei 100 Hz Grenzfrequenz unter Verwendung des DSP System Toolbox von Matlab. Wenden Sie dieses Tiefpassfilter auf die zeitliche Verschiebung von Daten mit Matlab, um die 50 Hz-Schwingungsfrequenzkomponente abzurufen.
- Definieren Sie eine Region of Interest (ROI) als Mittelpunkt, auf -6 dB (1,7 x 0,4 mm in Wasser) und befindet sich 70 mm von der Wandleroberfläche. Extrahieren Sie die Verschiebungsdaten in dieser ROI. Schätzung der Verschiebung Signal-Rausch-Verhältnis (SNR d) an dem Fokalbereich nach 2 min der Ablation als das Verhältnis zwischen der mittleren Verschiebung und der Standardabweichung der Verschiebung in der ROI.
- Entpacken Sie die 50 Hz zeitliche Verschiebungssignal in den Fokus von den Verschiebungsmatrixdaten. Konvertieren Sie die zeitliche Verschiebung Signal im Fokus in hörbare Schall mit Matlab.
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Representative Results
Echtzeit-Streaming von HMI-Verschiebung während HIFU-Ablation kann mit divergierenden und ebenen Welle Bildgebung gewonnen werden. 2 ist ein Video-Screen-Capture, die Echtzeit-Anzeige der Schallstrahlungskraft induzierte Verschiebung mit ebenen Welle Bildgebung in der In-vitro-Hundelebern während HIFU-Ablation . Die Verschiebungen in Echtzeit auf dem Computerbildschirm in einer Anzeigebildrate von 4,5 Hz übertragen. Positive Verschiebungen sind rot und negative Verschiebungen in blau dargestellt. Läsionen wurden erfolgreich mit HIFU Ablation. 3 zeigt die in der Leber nach der Ablation entsprechend 2 erhaltenen Läsion geliefert.
Abnahme der HMI negativen Spitzenverschiebungsamplitude während der HIFU-Ablation kann sowohl mit divergierenden und ebenen Welle Imaging abgebildet werden. Abbildung 4 zeigt HMI negativen Spitzenverschiebung bei unterschiedlichen Stufe der Ablation mit divergierenden und ebenen WelleImaging. Negative Spitzenverschiebungen wurden sowohl ohne als auch mit Overlay auf dem B-Modus, um klarer zu sehen die Bewegungsmuster und die Zielregion in der Leber jeweils siehe gezeigt. Der 50 Hz HMI Verschiebung entsprechende Ton der Ablation mit ebenen Welle (4C) wurde überwacht, um die Video eingebaut. Der Rückgang der HMI Verschiebungsamplitude aufgrund der Ablation ist zu hören, welche eine zusätzliche Monitoring-Tool bietet. Abbildung 4 zeigt auch, dass die Größe der Region durch HIFU steigt während der Ablation. 5A angeregt und 5B zeigt die HMI Verschiebungen an der Fokusbereich während der Ablation für divergierende und ebene Welle auf. Die Abnahme der HMI Verschiebungsgröße ist deutlich sichtbar sowohl zum Ablenken und ebene Welle Bildgebung. 6 zeigt die Peak-zu-Peak-Verschiebung Abnahme für alle Zielregionen in der Leber sowohl zum Ablenken (Abbildung 6A) und Ebene (6B) Wellen-Abbildungs. Der Spitze-zu-Spitze-Verlagerung Abnahme für ebene Wellen nicht wesentlich für die eine divergierende Welle erhalten.
Ebene Welle Bildgebung wurde gefunden, daß eine höhere SNR d im Fokus als divergierende Wellen Bildgebung. 7 zeigt das SNR d in der ROI für alle Läsion Positionen in der Leber für die divergierenden (7A) und dem Flugzeug (7B) Wellen-Abbildungs . Der gemittelte SNR d für Flugzeug war 1,7-mal höher als bei divergierenden Wellen Bildgebung.
Abbildung 1. Versuchsaufbau. (A) Darstellung der HMIFU System. (B) Abbildung des experimentellen Aufbaus.om / files / ftp_upload / 53.050 / 53050fig1large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2. Echtzeit-HMI Verschiebungen. Erfassen Bildschirm des Computers, das Echtzeit-Streaming von HMI-Verschiebungen mit ebenen Welle Bildgebung während HIFU Ablation von einem Hunde-Leber bei 4,5 Hz Anzeigebildrate. Die linke Seitenwand zeigt die gefilterten HMI Verschiebungen und die rechte Seitenwand zeigt die gefilterten HMI Verschiebungen auf dem Pre-Ablation B-Modus der Leber überlagert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. Lesion durch HALLO induzierteFU. Bild von der Mitte Querschnitt einer Läsion nach HIFU-Behandlung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4. Abweichende und ebene Welle Bildgebung der Verschiebungen. Negative Spitzen HMI Verschiebung Bildgebung während HIFU Ablation von einem Hunde-Leber mit divergierenden Wellen ohne B-Modus-Overlay (A), mit B-Mode-Overlay (B), mit ebenen Wellenabbildungs ohne B-Modus-Overlay (C) und mit B-Mode-Overlay (D). Der 50 Hz HMI Verschiebung entsprechende Ton der Ablation mit ebenen Wellen überwacht (4C) wurde zu dem Video aufgenommen. Pmieten klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5. HMI Fokusverschiebung. HMI Verschiebung am Fokusbereich bei HIFU Ablation mit divergierenden (A) und der Ebene (B) Wellen-Abbildungs. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Figur 6. Spitze-zu-Spitze-Verschiebung zu verringern. Spitze-Spitze-Verschiebung Abnahme in der Brennbereich während HIFU-Ablation mit der divergierenden (A) und der Ebene (B) Wellenbildgebung. BitteKlicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 7. Displacement Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Die Verschiebung Signal-zu-Rausch-Verhältnis im Mittelpunkt für die divergierenden (A) und der Ebene (B) Wellen-Abbildungs für verschiedene Ablationsstellung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen .
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Discussion
Echtzeit-Überwachung von HIFU Läsionen ist wichtig, die richtige und effiziente Läsion Lieferung. Da die Läsion Formen, versteift sich das Gewebe und dessen Bewegungsamplitude unter Anregung ab. Aufbringen HIFU in einem Bereich des Gewebes führt zu einer Schallstrahlungskraft, die Gewebeverschiebung induziert. Die relative Änderung der Verschiebung ein Surrogat relative Änderung der Gewebesteifigkeit. Diese Technik bietet den Vorteil der Überwachung HIFU Läsion ohne Anhalten der Behandlung im Gegensatz zu anderen Ultraschallverfahren basiert. Die zeitliche Auflösung des Echtzeit-Überwachung in dieser Studie (4.5 Hz) war höher als die in MR-gesteuerte HIFU Ablation (1 Hz) erhalten.
Schnelle Verarbeitung von Ultraschall RF-Daten ist ein entscheidender Schritt für die Echtzeit-Streaming-Hubraum. Die Rekonstruktion des Bildes ist der langsamste Schritt der Verarbeitung. In diesem Protokoll wurde die Geschwindigkeit der Bildrekonstruktion durch Erhalten des gesamten Rahmens usi optimiertng eine einzelne Operation. Diese Operation besteht in der Multiplikation der RF-Kanaldaten mit einer Matrix. Nur die Nicht-Null-Elemente der Matrix zugewiesen wurden die Rechenzeit zu optimieren und die
Multiplikation auf einer GPU durchgeführt. Ein schneller 1-D normalisierten Kreuzkorrelationsverfahren wurde verwendet, um die Verschiebungen zu schätzen. Ein Fensterüberlappung von 80% kann ein guter Kompromiss zwischen der Rechenzeit und der axialen Auflösung der Verschiebung Bilder.
Die Sendestrahlformungsverfahren kann auch Auswirkungen auf die Qualität des Verschiebungsbildes. Der SNR d erwies sich als deutlich niedriger für divergierende als für ebene Welle Bildgebung mit Hilfe eines Zwei-Stichproben-t-Test. Der Betrag der Versetzung war auch niedriger als für divergierende ebene Welle Bildgebung. Dies könnte durch die Tatsache, dass die axiale Richtung des divergierenden Welle nicht mit dem HIFU Strahl im gesamten ROI ausgerichtet aufgrund der divergenten Natur der Welle in erklärenIm Gegensatz zu der ebenen Welle. Die untere Peak-to-Peak-Verschiebung Abnahme zur Läsion # 3 gefunden für divergierende Wellen Bildgebung kann durch die Anwesenheit von einem Schiff in der Mitte des nach dem Brutto Pathologie beobachtet Läsion. Der untere SNR d für Läsion # 4 zur ebenen Welle Abbildungs finden wegen der Nähe des Brennpunktes zur Oberfläche der Leber. Es ist auch zu, daß die Dämpfung aufgrund der geometrischen Ausbreitung in seitlicher Richtung angemerkt werden, dass divergierende Wellen auftritt und nicht für ebene Wellen, die die Qualität der Bewegungsschätzung beeinflussen können. , Wenn die gleiche Ultraschallwandler bietet jedoch die divergierenden Wellen-Abbildungs ein größeres Sichtfeld als ebene Welle Bildgebung, die von Interesse kontinuierlich Bild der größte Teil der Region um abzutragen ist.
In diesem Protokoll wurde ein Phased-Array, um Bild die Verschiebungen, so dass nur ein Querschnitt des abgetragenen Bereichs abgebildet wurde genutzt. Ein 2-D-Array-Wandler könnte zu Bild t verwendet werdener gesamte Volumen des abgetragenen Bereichs. Die Ablation an verschiedenen Stellen in der Leber wurde durch Bewegen des Wandlers relativ zu der Leber erreicht. Strahlsteuerungs könnten mit der HIFU-Sonde durchgeführt werden, um verschiedene Stellen des Zielregion behandelt werden, um für mehr richtige Ausrichtung zu ermöglichen. Neben den genannten technischen Verbesserungen gehören die zukünftige Ausrichtung der klinische Umsetzung dieser Methode.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| P4-2 Phased array | ATL | ||
| H-178 HIFU transducer | Sonic Concepts | ||
| 3-D positioner | Velmex Inc. | ||
| AT33522A function generator | Agilent Technologies | ||
| V-1 ultrasound system | Verasonics | ||
| 3100L RF amplifier | ENI | ||
| Matching network | Sonic Concepts | ||
| Degasing system | Sonic Concepts | ||
| Programming software | Matlab | ||
| Jacket software package | Accelereyes |
References
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