Abstract
集束超音波（HMIFU）のための調和運動イメージングは、高強度の超音波（HIFU）アブレーションを集中実行し、監視することができる技術です。振動運動は、関数発生器を用いて、25 Hzの振幅変調信号を印加することにより、93素子と4.5 MHzの中心周波数HIFUトランスデューサの焦点で生成されます。 68kPaのピーク圧力で、64素子と2.5 MHzの撮像トランスデューサは、共焦点無線周波数（RF）チャネルのデータを取得するためにHIFUトランスデューサの中心に配置されています。このプロトコルでは、 インビトロでのイヌの肝臓に7 Wの音響パワーとHIFUを用いた熱アブレーションのリアルタイム監視が記載されています。 HIFU治療は、2分の間に組織に適用され、アブレーション領域1000フレーム/秒に発散または平面波イメージングを使用してリアルタイムで画像化されます。 RFチャネルデータの行列は、画像再構成のための疎行列乗算されます。ビューの再構築されたフィールドは、WAを発散するために90°でありますVEの平面波イメージングのための20ミリ、データが80 MHzでサンプリングされます。再構成は、4.5の表示フレームレートでリアルタイムに画像化するためにグラフィック処理装置（GPU）上で実行されます。再構成されたRFデータの1次元の正規化相互相関は、焦点領域内の軸方向の変位を推定するために使用されます。焦点深度でのピーク・ツー・ピーク変位の大きさが原因病変の形成組織の硬化を意味熱アブレーションの間に減少します。平面波のための焦点領域における変位信号対雑音比（SNR d）はその平面波イメージングは波撮像発散よりHMIFUための優れた変位マップの品質を生成するために表示される表示波発散よりも1.4倍高かったです。
Protocol
このプロトコルはコロンビア大学の施設内動物管理使用委員会によって承認されました。すべてのデータ収集及び処理は、MATLAB環境を用いて行きました。
1.実験のセットアップ
- 90分の間にex vivoでの犬の肝臓試料を脱気。脱気したリン酸緩衝液（ 図1）を充填したタンク内に肝臓試料を置きます。肝臓の先端に針を持つ音響吸収の肝臓試料を固定します。
- 4.5 MHzの中心周波数、70ミリメートル焦点深度とで（治療）93要素半球状配列HIFUトランスデューサの中心部に位置する円形の穴を通って、64要素0.32 mmピッチ、2.5 MHzの中心周波数フェーズドアレイ（画像）を挿入1.7ミリメートルX 0.4ミリメートル焦点サイズ11。同軸の両方の変換器の位置を合わせ、調整ネジで治療用トランスデューサに撮像トランスデューサを修正。
- AVとHIFUトランスデューサをカバーそれを冷却するために脱気流水で満たされたポリウレタン膜をolume制御。コンピュータ制御の3次元ポジショナーにトランスデューサアセンブリをマウントします。
- 500 mVの最大振幅の25 Hzの振幅変調された正弦波形を送信する関数発生器にHIFUトランスデューサを接続します。ソフトウェアMATLABを使用して、完全にプログラム可能な超音波システムに撮像トランスデューサを接続します。
注：ソフトウェアの超音波システムに関連し、MATLAB環境を使用してシステムに接続されたコンピュータにインストールする必要があります。 50デシベルRF増幅器及び整合ネットワークはそれぞれの電力を増幅し、インピーダンスを整合させるHIFUトランスデューサと関数発生器との間に配置されるべきです。 - 9.625ミクロンの128行で方位角方向に90°の空間ステップとアレイの表面から50ミリメートル径方向に深い40ミリメートルを開始するには、MATLABを使用して、極格子を作成した起源はFOであります発散波のCUS。アレイの表面の背後に発散波10.24ミリメートル（開口部の半分のサイズ）のソースを定義し、横方向の中央に配置。
- 広い平面波の場合は64行で横方向に9.625ミクロンと20ミリメートルの空間ステップで軸方向に深いアレイの表面から50ミリメートルと40ミリメートルを開始するには、MATLABを使用して、デカルトグリッドを作成します。アレイの表面上の平面波のソースを定義します。各グリッドについて、バック配列の各要素に、グリッドの各点にソースから時間を計算し、。
- MATLABコマンドウィンドウで平面波イメージングのため波イメージングまたは「ReconMat_PW」を発散するための「ReconMat_DW」と入力し、各グリッドのための標準的な遅延和アルゴリズムに関連した再構築マトリックスを作成するために、「入力」を押します。標準基底の各ベクトルに遅延和アルゴリズムを適用し、非ゼロelemenを取得結果の行列11のTS。対応する位置でのスパース行列に結果の行列から得られた非ゼロ要素を割り当てます。コンピュータのハードドライブ上の復元行列を保存します。
注意：発散と平面波法は、2つの別個の復興行列を使用しています。- GPU行列に復元行列をキャストします。フェーズドアレイに関連するスクリプトを使用して超音波チャンネルデータ取得のためのセットアップファイルを作成するには、「入力」、MATLABコマンドウィンドウとプレスで平面波イメージングのため波イメージングまたは「SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW」を発散するための「SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW」と入力し、製造業者によって提供超音波システム。波イメージングと平面波イメージングのための「P4-2Flash_PlaneWave.mat」を発散するための設定ファイル「P4-2Flash_DivergingWave.matを」という名前を付けます。
注：市販のソフトウェアパッケージは、コンピュータtに設置されなければなりませんO GPU行列に再建疎行列をキャスト。
- GPU行列に復元行列をキャストします。フェーズドアレイに関連するスクリプトを使用して超音波チャンネルデータ取得のためのセットアップファイルを作成するには、「入力」、MATLABコマンドウィンドウとプレスで平面波イメージングのため波イメージングまたは「SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW」を発散するための「SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW」と入力し、製造業者によって提供超音波システム。波イメージングと平面波イメージングのための「P4-2Flash_PlaneWave.mat」を発散するための設定ファイル「P4-2Flash_DivergingWave.matを」という名前を付けます。
- 肝臓の高フレームレート超音波データ取得は、HIFUと同時に起動するように外部トリガを使用して、関数発生器と超音波システムを同期します。
- MATLABを開きます。 Bモード画像を使用するには、超音波システムの製造元から提供されたセットアップスクリプト」SetUpP4_2Flash_4B.m」を実行します。 「P4-2Flash_4B_Bmode.mat」：作成したセットアップファイルに名前を付けます。 「プロセスに.MATファイル名： "" VSX」コマンドと時を使用促され、セットアップファイル「P4-2Flash_4B_Bmode.mat」の名前を入力します。両方のトランスデューサを移動し、切除する肝臓の標的領域でそれらを配置するためにコンピュータの画面上に現れたBモード表示を使用しています。吸収による高い超音波減衰を避けるために、肝臓の表面下約1cm地域を対象とします。コンピュータ上の肝臓の従来のBモード画像を保存します。
注意：ここでは、それぞれの切除のための3次元位置決め装置で変換器を移動することにより、2つの肝臓標本における11の異なる場所でのHIFU切除を行いました。
2.超音波データ集録
- MATLABを開きます。 「VSX」コマンドを使用して、「プロセスへの.MATファイル名： "ときにプロンプトが表示され、平面波のための波イメージングまたは「P4-2Flash_PlaneWave.mat」を発散するための設定ファイル" P4-2Flash_DivergingWave.mat」の名前を入力します。イメージング。 HIFUを起動し、標的領域への2分の間にそれを適用します。
- 発散波を使用して2分の間に第2の1,000フレームでのRFチャネルのデータを取得します。代替的に、平面波を使用して2分の間に第2の1,000フレームでRFチャネルデータを取得します。
- PCI Expressのケーブルを介してすべての200フレームホストコンピュータにデータを転送します。あるいは、リアルタイムストリーミングでは、平面波とTRANSFを用いて2分間にわたって毎秒167フレームでRFチャネルデータを取得しますホストコンピュータにデータ毎に2フレームER。
注：200フレームのセットでイメージング方法は、各セット内で高い時間分解能を提供しますが、各セット間のギャップを作成し、オフライン処理に適しています。 167 fpsで撮影方法は、低時間分解能を持っていますが、全体の切除時間全体で任意のギャップを作成しません、リアルタイムストリーミングに適しています。 - MATLABに単精度GPUマトリックスにRFチャネルデータ行列をキャストします。再構成されたRF データ 11 を取得するために再構成マトリクスによってRFチャネルデータ行列を乗算します。
3.変位イメージング
- MatlabののDSP System Toolboxのを使用して、4 MHzのカットオフ周波数で第 6次バタワースローパスフィルタを作成します。 4.5 MHzのHIFUコンポーネントをフィルタリングするために再構成されたRFデータには、このローパスフィルタを適用します。
- 1-D、正規化相互相関を用いて、連続するフレームの間の軸方向の変位を推定します3.1ミリメートルウィンドウの長さと90％のオーバーラップを有します。
- MatlabののDSP System Toolboxのを使用して100 Hzのカットオフ周波数で第 6次バタワースローパスフィルタを作成します。このローパスフィルタは50Hzで、発振周波数成分を取得するためにMATLABを使用して、一時的な変位データに適用します。
- で-6dBの（水中1.7×0.4 mm）の焦点領域として関心領域（ROI）を定義し、離れて、変換器表面から70ミリメートルに位置。このROI内の変位データを抽出します。平均変位とROIの変位の標準偏差の比として切除の2分後に、焦点領域における変位信号対雑音比（SNR さd）を推定します 。
- 変位行列データから焦点に50 Hzの一時的な変位信号を抽出します。 MATLABを使用して可聴音に焦点に時間的な変位信号に変換します。
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Representative Results
HIFU切除中にHMI変位のリアルタイムストリーミングが発散し、平面波イメージングを用いて得ることができる。 図2は、HIFU切除中にインビトロイヌ肝臓における平面波イメージングを用いた音響放射力誘起される変位のリアルタイム表示を示すビデオ画面キャプチャであります。変位は4.5ヘルツの表示フレームレートでコンピュータの画面上でリアルタイムにストリーミングされます。正の変位は青、赤、負の変位に示されています。病変が正常にHIFUアブレーションを使用して配信された。 図3は、図2に対応する切除後の肝臓で得られた病変を示しています。
HIFUアブレーション中にHMIピーク負の変位振幅の減少が発散し、平面波イメージングの両方で画像化することができる。 図4を発散し、平面波で焼灼の異なる段階でのHMIピーク負の変位を示していますイメージング。ピーク負の変位がより明確に変位パターンを参照し、それぞれ肝臓での標的領域を表示するには、Bモードでオーバーレイなしとの両方が示されました。平面波（ 図4C）で監視アブレーションに対応する50 HzのHMI変位音がビデオに設立されました。アブレーションにより、HMI変位振幅の減少は、追加の監視ツールを提供している聞くことができる。 図4はまた、アブレーション時のHIFUの増加により領域のサイズは興奮していることを示します。 図5は、焦点領域でのHMI変位を示していますそれぞれ発散と平面波のための切除中に。 HMI変位の大きさの減少は、 図6を参照 。両方発散および平面波イメージングのためのはっきりと見えるの両方発散のために肝臓内のすべてのターゲットの位置のピーク・ツー・ピーク変位の減少（ 図を示しています図6（a））及び平面（ 図6B）波イメージング。平面波のピークツーピーク変位の減少が波を発散するために得られたもので有意に異なりません。
平面波イメージングは波撮像発散よりも焦点に高いSNR dを有することが見出された。 図7は、分岐のために、肝臓内の全ての病変の位置のためのROIにおけるSNR さ d（ 図7A）を示す平面（ 図7B）波イメージング。プレーンの平均SNR dは波撮像発散よりも1.7倍高かったです。
図1。実験のセットアップ。HMIFUシステムの（A）の表現。 （B）実験のセットアップの写真。OM /ファイル/ ftp_upload / 53050 / 53050fig1large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図2.リアルタイムのHMI変位が。4.5Hz表示フレームレートで犬の肝臓のHIFUアブレーション中に平面波イメージングとHMI変位のリアルタイムストリーミングを示すコンピュータの画面をキャプチャします。左側のパネルには、フィルタリングのHMI変位を示し、右側のサイドパネルは、肝臓のプレアブレーションBモード上にオーバーレイフィルタのHMI変位を示している。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
HIによって誘発され、図3病変FU。HIFU治療後の病変の中央断面の画像が。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図4分岐-及び変位の平面波イメージング。Bモードオーバーレイ（B）、平面波イメージングを用いた無Bモードオーバーレイ（A）と波発散用いイヌ肝臓のHIFU切除時のピーク負HMI変位イメージングノーBモードオーバーレイ（C）とし、Bモードのオーバーレイ（D）を有します。ビデオに設立されました（ 図4C）平面波で監視アブレーションに対応する50 HzのHMI変位音。Pリースこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図5. HMI焦点ずれ。発散を使用したHIFUアブレーション時の焦点領域でのHMI変位（A）および平面（B）波イメージング。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図6.ピーク・ツー・ピーク変位減少。発散使用してHIFUアブレーション時の焦点領域でのピーク・ツー・ピーク変位の減少（A）および平面（B）波イメージング。 してくださいこの図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図7.変位信号対雑音比。発散のための焦点（A）における変位信号対雑音比と異なるアブレーション位置の面（B）波イメージング。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
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Discussion
HIFU病変のリアルタイムモニタリングは、適切かつ効率的な病変の配信を保証することが重要です。病変の形態としては、組織が硬直し、励起下での運動の振幅は減少します。組織変位を誘発する音響放射力で組織の結果の領域にHIFUを適用します。変位の相対的な変化は、組織の剛性の相対的な変化の代理です。この技術は、他の超音波ベースの方法とは対照的に治療を停止することなく、HIFU病変を監視することの利点を提供しています。この研究（4.5 Hz）でリアルタイム監視の時間分解能は、MRガイド下HIFUアブレーション（1 Hz）で得られたものよりも高かったです。
超音波RFデータの高速処理は、変位のリアルタイムストリーミングのための重要なステップです。画像の再構成は、処理の最も遅いステップです。このプロトコルでは、画像再構成の速度は、フレーム全体のUSIを得ることによって最適化されました単一の操作をngの。この操作は、マトリックスによってRFチャネルのデータとを乗算することからなります。マトリックスの唯一の非ゼロ要素は、計算時間を最適化するために割り当てられました
乗算は、GPU上で実施しました。速い1次元正規化相互相関法は、変位を推定するために使用しました。 80％の窓の重なりは計算時間と変位画像の軸方向の解像度との間の良好なトレードオフを可能にします。
送信ビーム形成方法は、変位画像の品質に影響を与えることができます。 SNR dは 2標本t検定を用いて平面波イメージングの場合よりも発散するために有意に低いことが見出されました。変位の大きさはまた、平面波イメージングの場合よりも発散するための低かったです。これにより波の発散性質上に発散波の軸方向全体ROIにおけるHIFUビームと位置合わせされていないという事実によって説明することができます平面波に対比。発散波イメージングのための病変＃3が見つかり低いピーク・ツー・ピーク変位の減少が総病理後に観察された病変の中心に血管の存在によるものであることができます。平面波イメージングのために病変＃4が見つかり低いSNR Dは、肝臓の表面に焦点の近接に起因することができます。また、横方向に広がりによる幾何学的に減衰は、動き推定の品質に影響を与える可能性が平面波のため波発散としないために発生することに留意しなければなりません。同じ超音波トランスデューサを使用している場合しかし、発散波イメージングは、連続画像の領域の大部分を切除するために関心のある平面波イメージングよりも広い視野を提供しています。
アブレーションされた領域の断面のみを画像化したように、このプロトコルでは、フェーズドアレイは、画像への変位を利用しました。 2次元アレイトランスデューサは、画像tに使用することができますアブレーションされた地域の彼ボリューム全体。肝臓の異なる位置での切除は、肝臓への変換器を動かすことによって達成されました。ビームステアリングは、より適切な標的化を可能にするために処理されるべき領域の異なる位置を標的とするためにHIFUプローブを用いて実施することができます。上記の技術的な改善に加えて、将来の方向性は、この方法の臨床翻訳が含まれています。
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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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