Abstract
Harmonic Motion Imaging voor Focused Ultrasound (HMIFU) is een techniek die kan uitvoeren en bewaken van high-intensity focused ultrasound (HIFU) ablatie. Een oscillerende beweging wordt gegenereerd in het brandpunt van een 93-element en 4,5 MHz middenfrequentie HIFU transducer door een 25 Hz amplitude gemoduleerd signaal met een functiegenerator. Een 64-element en 2,5 MHz beeldvormende transducer met 68 kPa piekdruk wordt confocally geplaatst in het midden van de HIFU transducer en data radiofrequentie (RF) kanaal te verwerven. In dit protocol wordt real-time monitoring van de thermische ablatie met HIFU met een akoestische vermogen van 7 W op honden levers in vitro beschreven. HIFU behandeling wordt toegepast op het weefsel gedurende 2 min en geablateerd gebied wordt afgebeeld in real-time via divergerende of vlakke golf beeldvorming tot 1000 frames / seconde. De matrix van kanaalgegevens RF vermenigvuldigd met een sparse matrix voor beeldreconstructie. De gereconstrueerde gezichtsveld ligt van 90 ° voor uiteenlopende wave en 20 mm voor vlakke golf beeldvorming en de gegevens worden bemonsterd op 80 MHz. De reconstructie wordt uitgevoerd op een grafische verwerkingseenheid (GPU) om afbeeldingen in real-time op 4,5 beeldscherm framesnelheid. 1-D genormaliseerde kruiscorrelatie van de gereconstrueerde HF gegevens wordt gebruikt voor het schatten axiale verplaatsingen in het focusgebied. De grootte van de piek-tot-piek verplaatsing in de scherptediepte afneemt tijdens de thermische ablatie welke verstijving van het weefsel geeft door de vorming van een laesie. De verplaatsing signaal-ruisverhouding (SNR d) aan het aandachtsgebied voor vlakke golf was 1,4 keer hoger dan voor uiteenlopende wave tonen dat vlakke golf beeldvorming lijkt te produceren betere verplaatsing kaarten kwaliteit HMIFU dan divergerende golf beeldvorming.
Protocol
Dit protocol werd goedgekeurd door de Institutional Animal Care en gebruik Comite van Columbia University. Alle data-acquisitie en -verwerking werden uitgevoerd met het Matlab milieu.
1. Experimentele Set-up
- Ontgas een ex vivo honden lever monster gedurende 90 min. Doe de lever monster in een tank gevuld met ontgaste fosfaatgebufferde oplossing (figuur 1). Bevestig de lever monster op een akoestische absorber met naalden aan de einden van de lever.
- Plaats een 64-element, 0,32 mm spoed, 2,5 MHz middenfrequentie phased array (imaging) door een cirkelvormig gat in het midden van een 93-element hemisferische matrix HIFU transducer (therapeutisch) bij 4,5 MHz middenfrequentie, 70 mm scherptediepte en 1,7 mm x 0,4 mm brandpuntsafstand maat 11. Lijn beide transducers co-axiaal en bevestig de beeldvormende transducer in de therapeutische transducer met stelschroeven.
- Bedek de HIFU transducer met avolume-gecontroleerde polyurethaan membraan gevuld met stromend ontgast water om het af te koelen. Monteer het omvormersamenstel een computergestuurde 3-D positioner.
- Sluit de HIFU transducer om een functie generator het verzenden van een 25 Hz amplitude gemoduleerd sinusgolfvorm met 500 mV maximale amplitude. Sluit de beeldvormende transducer tot een volledig programmeerbare ultrasound systeem met behulp van de software Matlab.
Opmerking: Een software die hoort bij het ultrasoon systeem met het Matlab omgeving heeft op de computer aangesloten op het systeem te installeren. Een 50 dB RF-versterker en een bijpassende netwerk moet worden geplaatst tussen de HIFU transducer en de functiegenerator de kracht respectievelijk te amplificeren en overeenkomen met de impedantie. - Een polair raster, Matlab, beginnend 50 mm vanaf het oppervlak van de array en 40 mm diep in de radiale richting met een ruimtelijke stap van 9,625 urn en 90 ° in de azimutale richting 128 lijnen en die oorsprong FOcus van de divergerende golf. De bron van de divergerende golf 10,24 mm (de helft van de opening) achter het oppervlak van de array en gecentreerd in de laterale richting.
- Maak een Cartesisch rooster, Matlab, beginnend 50 mm vanaf het oppervlak van de array en 40 mm diep in de axiale richting met een ruimtelijke stap van 9,625 pm en 20 mm breed in de dwarsrichting met 64 lijnen van de vlakke golf. De bron van de vlakke golf op het oppervlak van de array. Voor elk rooster, bereken de tijd vanaf de bron tot elk punt van het raster en naar elk element van de array.
- Voer "ReconMat_DW" voor uiteenlopende wave imaging of "ReconMat_PW" voor vlakke golf beeldvorming in de Matlab commando venster en druk op "Enter" om een reconstructie matrix geassocieerd met een standaard delay-and-sum algoritme voor elk netwerk te creëren. Breng de delay-and-sum algoritme om elke vector van de standaardbasis en de niet-nul elemen halents van de resulterende matrix 11. Verdeel de niet-nul elementen, verkregen uit de resulterende matrix tot de spaarzame matrix op de overeenkomstige plaats. Sla de reconstructie matrix op de computer harde schijf.
Opmerking: de uiteenlopende en de vlakke golf methodes gebruiken twee verschillende reconstructie matrices.- Wierp de reconstructie matrix om een GPU matrix. Voer "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" voor uiteenlopende wave imaging of "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" voor vlakke golf beeldvorming in de Matlab commando venster en druk op "Enter" om een installatiebestand voor de echo kanaal data-acquisitie met behulp van het script in verband met de phased array en door de fabrikant te creëren het ultrageluidsysteem. Noem het installatiebestand "P4-2Flash_DivergingWave.mat" voor uiteenlopende wave imaging en "P4-2Flash_PlaneWave.mat" voor vlakke golf beeldvorming.
Opmerking: Een commercieel softwarepakket heeft de computer t worden geïnstalleerdo wierp de reconstructie spaarzame matrix om een GPU matrix.
- Wierp de reconstructie matrix om een GPU matrix. Voer "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" voor uiteenlopende wave imaging of "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" voor vlakke golf beeldvorming in de Matlab commando venster en druk op "Enter" om een installatiebestand voor de echo kanaal data-acquisitie met behulp van het script in verband met de phased array en door de fabrikant te creëren het ultrageluidsysteem. Noem het installatiebestand "P4-2Flash_DivergingWave.mat" voor uiteenlopende wave imaging en "P4-2Flash_PlaneWave.mat" voor vlakke golf beeldvorming.
- Synchroniseert het ultrasone systeem met de functiegenerator via een externe trigger zodat hoge framesnelheid ultrasound data acquisitie van de lever begint op hetzelfde moment als HIFU.
- Open Matlab. Voer het setup script "SetUpP4_2Flash_4B.m" die door de fabrikant ultrasound systeem B-modus beeldvorming te gebruiken. Noem het gemaakt installatiebestand: "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Gebruik de "VSX" commando en wanneer "Naam van .mat bestand te verwerken:" wordt gevraagd, voert u de naam van het installatiebestand "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Zet beide transducers en gebruik de B-mode display, dat verscheen op het computerscherm om ze te positioneren in de beoogde regio van de lever om ablatie. Target een gebied van ongeveer 1 cm onder het oppervlak van de lever te voorkomen hoge ultrasone verzwakking als gevolg van absorptie. Sla een conventionele B-mode beeld van de lever op de computer.
Let op:Hier traden we HIFU ablaties op 11 verschillende plaatsen in twee exemplaren lever door het bewegen van de omzetters met de 3-D klepstandsteller voor elke ablatie.
2. Echografie Data Acquisition
- Open Matlab. Gebruik de "VSX" commando en wanneer "Naam van .mat bestand te verwerken:" wordt gevraagd, voert u de naam van het installatiebestand "P4-2Flash_DivergingWave.mat" voor uiteenlopende wave imaging of "P4-2Flash_PlaneWave.mat" voor vlakke golf beeldvorming. Start de HIFU en toe te passen tijdens 2min naar de beoogde regio.
- Gegevens van de RF-kanaal op 1000 frames per seconde te verwerven tijdens de 2 minuten met behulp van uiteenlopende golven. Als alternatief, de gegevens van de RF-kanaal op 1000 frames per seconde te verwerven tijdens de 2 minuten met behulp van vlakke golven.
- Overdracht van de gegevens naar een host-computer elke 200 frames via een PCI Express-kabel. Als alternatief voor real-time streaming data van de RF-kanaal op 167 frames per seconde te verwerven tijdens de 2 minuten met behulp van vlakke golven en transfre van de gegevens naar een host-computer elke 2 frames.
Opmerking: De beeldvormende methoden met set van 200 frames biedt een hoge tijdsresolutie binnen elke set maar creëren verschillen tussen elke set en is geschikt voor off-line verwerking. De beeldvormingswerkwijze van 167 bps een lagere tijdresolutie maar geen gaten in het gehele ablatietijd maken en is geschikt voor real-time streaming. - Wierp het RF-kanaal data matrix om een enkele precisie GPU matrix met Matlab. Vermenigvuldig het RF-kanaal datamatrix door de reconstructie matrix om de gereconstrueerde RF data 11 te verkrijgen.
3. Verplaatsing Imaging
- Maak een 6e orde Butterworth low pass filter op 4 MHz cutoff frequentie met behulp van de DSP System Toolbox van Matlab. Pas deze low pass filter om de gereconstrueerde RF data te filteren uit de 4,5 MHz-HIFU component.
- Schat de axiale verplaatsing tussen opeenvolgende frames gebruikt 1-D genormaliseerde kruiscorrelatiemet een 3,1 mm-venster lengte 90% overlap.
- Maak een 6e orde Butterworth low pass filter op 100 Hz cutoff frequentie, waarbij de DSP System Toolbox van Matlab. Pas deze low pass filter om de tijdelijke verplaatsing van gegevens met behulp van Matlab tot de 50 Hz-oscillerende frequentie component halen.
- Definieer een van belang (ROI) als centraal gebied bij -6 dB (1,7 x 0,4 mm in water) en zich 70 mm van het transductor oppervlak. Extraheer de verplaatsingsdata deze ROI. Schat de verplaatsing signaal-ruisverhouding (SNR d) aan het focale gebied na 2 min van ablatie als de verhouding tussen de gemiddelde verplaatsing en de standaarddeviatie van de verplaatsing in het ROI.
- Pak de 50 Hz tijdelijke verplaatsing signaal in het brandpunt van de verplaatsing matrix gegevens. Omzetten van de tijdelijke verplaatsing signaal bij de focus in hoorbare geluid met behulp van Matlab.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Real-time streaming van HMI verplaatsing tijdens HIFU ablatie kan worden verkregen met behulp van uiteenlopende en vlakke golf beeldvorming. Figuur 2 is een video screen capture toont real-time weergave van de akoestische straling van kracht veroorzaakte verplaatsing met behulp van de vlakke golf beeldvorming in in vitro honden levers tijdens HIFU ablatie . De verplaatsingen worden gestreamd in real-time op het scherm op een beeldscherm frame rate van 4,5 Hz. Positieve verplaatsingen worden getoond in rood en negatieve verplaatsingen in het blauw. Laesies werden succesvol afgeleverd via HIFU ablatie. Figuur 3 toont de laesie verkregen in de lever na de ablatie overeenkomstig figuur 2.
Afname van HMI piek negatieve verplaatsingsamplitude tijdens HIFU ablatie kan worden afgebeeld zowel met uiteenlopende en vlakke golf beeldvorming. Figuur 4 toont HMI piek negatieve verplaatsing op verschillende fase van de ablatie met uiteenlopende en vlakke golfbeeldvorming. Piek negatieve verplaatsingen werden getoond, zowel met en zonder bekleding op de B-modus om meer duidelijk te zien de verplaatsing patroon en de beoogde regio respectievelijk zien in de lever. De 50 Hz HMI verplaatsing geluid overeenkomt met de ablatie bewaakt met vlakke golf (figuur 4C) werd opgericht om de video. De afname van HMI verplaatsingsamplitude gevolg van de ablatie te horen die een extra controle-instrument biedt. Figuur 4 geeft ook aan dat de grootte van het gebied aangeslagen door HIFU stijgt tijdens de ablatie. Figuur 5A en 5B toont de HMI verplaatsingen in het brandpuntgebied tijdens de ablatie voor uiteenlopende en vlakke golf respectievelijk. De afname van HMI verplaatsing magnitude goed zichtbaar voor uiteenlopende en vlakke golf beeldvorming. Figuur 6 toont de piek-tot-piek verplaatsing afname van alle doellocaties in de lever zowel divergerend (fig 6A) en het vliegtuig (figuur 6B) wave imaging. De piek-tot-piek verplaatsing daling voor vlakke golf is niet significant verschillend voor de ene verkregen voor divergerende golf.
Vlakke golf imaging bleek een hogere SNR d in het brandpunt dan divergerende golf beeldvorming. Figuur 7 toont de SNR d in het ROI van de laesie posities in de lever divergerende (Figuur 7A) en vlak (figuur 7B) wave imaging . De gemiddelde SNR d voor vliegtuig was 1,7 keer hoger dan voor uiteenlopende wave imaging.
Figuur 1. Experimentele set-up. (A) Vertegenwoordiging van de HMIFU systeem. (B) Foto van de experimentele set-up.OM / files / ftp_upload / 53.050 / 53050fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Real-time HMI verplaatsingen. Leg het scherm van de computer met real-time streaming van HMI verplaatsingen met vlakke golf beeldvorming tijdens HIFU ablatie van een hond lever op 4,5Hz scherm frame rate. De linkerkant paneel toont het gefilterde HMI verplaatsingen en rechts paneel toont het gefilterde HMI verplaatsingen overlay op het pre-ablatie B-modus van de lever. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. Letsel veroorzaakt door HIFU. Foto van de middelste doorsnede van een laesie na HIFU behandeling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. uiteenlopende en vlakke golf beeldvorming van de verplaatsingen. Peak negatieve HMI verplaatsing beeldvorming tijdens HIFU ablatie van een hond de lever met behulp van uiteenlopende wave zonder B-mode overlay (A), met de B-mode overlay (B), met vlakke golf beeldvorming zonder B-mode overlay (C) en met B-mode overlay (D). De 50 Hz HMI verplaatsing geluid overeenkomt met de ablatie bewaakt met vlakke golf (figuur 4C) werd opgericht om de video. Please klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5. HMI middelpunt verplaatsing. HMI verplaatsing in het brandpunt regio tijdens HIFU ablatie met behulp van uiteenlopende (A) en het vliegtuig (B) wave imaging. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6. Peak-tot-piek verplaatsing daling. Peak-tot-piek verplaatsing afname in het brandpunt regio tijdens HIFU ablatie met behulp van uiteenlopende (A) en het vliegtuig (B) wave imaging. Gelieveklik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7. Verplaatsing signaal-ruisverhouding. De verplaatsing signaal-ruisverhouding bij de focus voor uiteenlopende (A) en het vliegtuig (B) wave imaging voor verschillende ablatie positie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Real-time monitoring van HIFU letsels is het belangrijk om een goede en efficiënte laesie levering te garanderen. Aangezien de laesie vormt het weefsel verstijft en de beweging onder excitatie amplitude afneemt. Toepassing HIFU in een gebied van de resultaten weefsel in een akoestische stralingskracht dat weefsel verplaatsing induceert. De relatieve verandering in verplaatsing is een surrogaat van de relatieve verandering in weefsel stijfheid. Deze techniek biedt het voordeel bewaken HIFU laesie zonder stoppen van de behandeling in tegenstelling tot andere ultrageluid gebaseerde werkwijzen. De temporele resolutie van de real-time monitoring in deze studie (4,5 Hz) was hoger dan die verkregen in MR-geleide HIFU ablatie (1 Hz).
Snelle verwerking van ultrageluid HF gegevens is een kritieke stap voor real-time streaming verplaatsing. De reconstructie van het beeld is het langzaamste stap van de verwerking. In dit protocol, de snelheid van de beeldreconstructie werd geoptimaliseerd door het verkrijgen van het gehele beeld using een enkele operatie. Deze bewerking bestaat uit de data HF kanaal te vermenigvuldigen met een matrix. Alleen de niet-nul elementen van de matrix toegewezen optimaliseren rekentijd en
vermenigvuldiging werd uitgevoerd op een GPU. A fast 1-D genormaliseerde kruiscorrelatie methode werd gebruikt om de verplaatsingen. Een venster overlap van 80% kan een goede trade-off tussen de rekentijd en de axiale resolutie van de verplaatsing afbeeldingen.
De zend beamforming methode kan ook van invloed op de kwaliteit van het beeld van de verplaatsing. De SNR d bleek significant lager voor uiteenlopende dan voor vlakke golf beeldvorming met behulp van een twee-sample t-test. De omvang van de verplaatsing was lager dan voor uiteenlopende vlakke golf beeldvorming. Dit kan worden verklaard door het feit dat de axiale richting van de divergerende golf niet wordt uitgelijnd met de HIFU bundel in het gehele ROI door uiteenlopende aard van de golf incontrast met de vlakke golf. De lagere piek-tot-piek verplaatsing afname gevonden laesie # 3 van divergerende golf beeldvorming kan het gevolg zijn van de aanwezigheid van een schip in het midden van de laesie waargenomen na grove pathologie. De lagere SNR d gevonden laesie # 4 voor vlakke golf beeldvorming kan vanwege de nabijheid van de focus op het oppervlak van de lever. Ook moet worden opgemerkt dat de verzwakking als gevolg van geometrische spreiding in de dwarsrichting optreedt voor uiteenlopende golven en niet te vlakke golf die de kwaliteit van de bewegingsschatting kan beïnvloeden. Echter, bij het gebruik van dezelfde ultrasone transducer, de divergerende golf imaging biedt een groter gezichtsveld dan vlakke golf beeldvorming die van belang is om continu het het grootste deel van de regio om weg te nemen.
In dit protocol werd een phased array gebruikt om de verplaatsingen beeld zodat alleen een dwarsdoorsnede van de geablateerd gebied werd afgebeeld. A 2-D-array transducer kan worden gebruikt om beelden thij volledige volume van de geablateerd regio. De ablatie op verschillende plaatsen van de lever werd bereikt door het bewegen van de transducer ten opzichte van de lever. Bundelsturing kan worden uitgevoerd met de HIFU sonde op verschillende plaatsen in deze regio gericht te behandelen om meer correcte targeting. Naast de eerder genoemde technische verbeteringen, toekomstige richtingen zijn de klinische vertaling van deze methode.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Al-Bataineh, O., Jenne, J., Huber, P. Clinical and future applications of high intensity focused ultrasound in cancer. Cancer Treat Rev. 38, 346-353 (2012).
- Dewhirst, M. W., Viglianti, B. L., Lora-Michiels, M., Hanson, M., Hoopes, P. J. Basic principles of thermal dosimetry and thermal thresholds for tissue damage from hyperthermia. Int J Hyperthermia. 19, 267-294 (2003).
- Napoli, A., et al. MR-guided high-intensity focused ultrasound: current status of an emerging technology. Cardiovasc Intervent Radiol. 36, 1190-1203 (2013).
- Gudur, M. S., Kumon, R. E., Zhou, Y., Deng, C. X. High-frequency rapid B-mode ultrasound imaging for real-time monitoring of lesion formation and gas body activity during high-intensity focused ultrasound ablation. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 59, 1687-1699 (2012).
- Jensen, C. R., Cleveland, R. O., Coussios, C. C. Real-time temperature estimation and monitoring of HIFU ablation through a combined modeling and passive acoustic mapping approach. Phys Med Biol. 58, 5833-5850 (2013).
- Mariani, A., et al. Real time shear waves elastography monitoring of thermal ablation: in vivo evaluation in pig livers. J Surg Res. 188, 37-43 (2014).
- Bing, K. F., Rouze, N. C., Palmeri, M. L., Rotemberg, V. M., Nightingale, K. R. Combined ultrasonic thermal ablation with interleaved ARFI image monitoring using a single diagnostic curvilinear array: a feasibility study. Ultrason Imaging. 33, 217-232 (2011).
- Athanasiou, A., et al. Breast lesions: quantitative elastography with supersonic shear imaging--preliminary results., Radiology. 256, 297-303 (2010).
- Maleke, C., Konofagou, E. E. Harmonic motion imaging for focused ultrasound (HMIFU): a fully integrated technique for sonication and monitoring of thermal ablation in tissues. Phys Med Biol. 53, 1773-1793 (2008).
- Maleke, C., Konofagou, E. E. In vivo feasibility of real-time monitoring of focused ultrasound surgery (FUS) using harmonic motion imaging (HMI). IEEE Trans Biomed Eng. 57, 7-11 (2010).
- Hou, G. Y., et al. Sparse matrix beamforming and image reconstruction for 2-D HIFU monitoring using harmonic motion imaging for focused ultrasound (HMIFU) with in vitro validation. IEEE Trans Med Imaging. 33, 2107-2117 (2014).
