Abstract
Odaklı Ultrason Harmonik Hareket Görüntüleme (HMIFU) gerçekleştirmek ve yüksek yoğunluklu (HIFU) ablasyon odaklanmış ultrason izleyebilirsiniz bir tekniktir. Bir salınım hareketi fonksiyon jeneratörü kullanılarak 25 Hz genlik modülasyonlu sinyal uygulayarak 93-elemanı ve 4.5 MHz merkez frekansı HIFU dönüştürücünün odağı oluşturulur. 68kPa tepe basıncı ile 64 eleman ve 2.5 MHz transdüser görüntüleme odaksal radyo frekans (RF) kanal verilerini elde etmek için HIFU transdüser merkezinde yer almaktadır. Bu protokol, in vitro olarak, köpek Karaciğerlerde 7 W akustik güç ile HIFU kullanan termal ablasyon gerçek zamanlı izleme tarif edilmektedir. HIFU tedavisi 2 dakika boyunca dokuya uygulanır ve ablasyon bölgesi 1000 kare / saniyeye kadar konuyu farklı açılardan ya da düzlem dalga görüntüleme kadar kullanarak gerçek zamanlı olarak görüntülü. RF kanal veri matrisi görüntü oluşturmak için seyrek bir matris ile çarpılır. Görüş yeniden alan wa ayrılan 90 ° olduğuA.Ş. ve düzlemsel dalga görüntüleme için 20 mm ve veri 80 MHz'de örneklenir. Rekonstrüksiyon 4.5 ekran kare hızında gerçek zamanlı görüntü için Grafiksel Processing Unit (GPU) üzerinde yapılır. Yeniden RF veri 1-D normalleştirilmiş çapraz-korelasyon fokal bölgesinde bulunan eksensel yer değiştirmeleri tahmin etmek için kullanılır. Odak derinliği tepe-tepe yer değiştirme büyüklüğü nedeniyle lezyonun oluşumuna doku sertleşme anlamına gelir ısı ablasyon sırasında azalır. Düzlem dalga için odak alanında deplasman sinyal-gürültü oranı (SNR d) düzlem dalga görüntüleme gösteren dalga ayrılan nazaran 1.4 kat daha fazlaydı iyi deplasman dalga görüntüleme ayrılan daha HMIFU kalitesini haritalar üretmek gibi görünüyor.
Protocol
Bu protokol Columbia Üniversitesi Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Kurulu tarafından onaylanmıştır. Tüm veri toplama ve işleme Matlab ortamı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
1. Deneysel Set-up
- 90 dakika boyunca bir ex vivo köpek karaciğer örneği degas. Gazı alınmış fosfat tamponlu solüsyon (Şekil 1) ile dolu bir tank içinde, karaciğer örnek koyun. Karaciğer ekstremitelerde iğnelerle akustik emici karaciğer örneği düzeltildi.
- 4.5 MHz merkezi frekans, 70 mm odak derinliği ve en (terapötik) 93-eleman yarım küre dizi HIFU transdüser merkezinde bulunan dairesel bir delikten 64 element, 0.32 mm pin, 2,5 MHz merkez frekansı aşamalı dizisi (görüntüleme) takın 1.7 mm x 0.4 mm odak boyutu 11. Eş-eksenel hem dönüştürücüler hizalayın ve ayar vidası ile tedavi transdüser içine görüntüleme transdüser sabitleyin.
- Av ile HIFU dönüştürücüyü Kapaksoğumasını gazı alınmış su akan dolu poliüretan membran olume kontrollü. Bir bilgisayar kontrollü 3-D pozisyoner üzerindeki dönüştürücü düzeneğini monte edin.
- 500 mV maksimum genliği ile 25 Hz genlik modülasyonlu sinüs dalga formu gönderen bir fonksiyon jeneratörü için HIFU dönüştürücüyü bağlayın. Yazılım Matlab kullanarak tam programlanabilir ultrason sistemine görüntüleme dönüştürücüyü bağlayın.
Ultrason sistemi ile ilişkili bir yazılım ve Matlab ortamını kullanarak sisteme bağlı bilgisayarda yüklü olması gerekir: unutmayın. 50 dB RF amplifikatör ve eşleşen ağ HIFU dönüştürücü ve sırasıyla gücü yükseltmek ve empedans maç fonksiyon jeneratörü arasına yerleştirilmelidir. - Bu kökenli 128 hatları ve azimut yönü açısından 9,625 mm ve 90 ° 'lik bir mekansal adım radyal doğrultuda derin dizinin yüzeyinden 50 mm ve 40 mm başlayarak Matlab, bir polar grid oluşturma fo olanıraksayan dalganın ekü. Dizinin yüzeyinin arkasında uzaklaşan dalga 10.24 mm kaynağını (diyafram yarısı boyutunda) tanımlayın ve yanal yönde ortaladı.
- Geniş düzlem dalgası 64 hatları ile yanal doğrultuda 9,625 mm ve 20 mm'lik bir mekansal aşama eksenel yönde derin dizinin yüzeyinden 50 mm ve 40 mm başlayarak Matlab, Kartezyen ızgara oluşturun. Dizinin yüzeyinde düzlem dalganın kaynağı tanımlayın. Her ızgara, geri dizinin her öğesi için ızgara her noktasına kaynaktan zamanı hesaplamak ve.
- Matlab komut penceresinde düzlem dalga görüntüleme için dalga görüntüleme ya da "ReconMat_PW" uzaklaşan için "ReconMat_DW" girin ve her grid için standart bir gecikme-ve-toplamı algoritması ile ilgili bir yeniden yapılanma matrisi oluşturmak için "Enter" tuşuna basın. Standart bazda her vektöre gecikme ve toplamlı algoritması uygulayın ve dışı sıfır Elemen almakElde edilen matris 11 ts. İlgili yerde seyrek matris elde edilen matris elde sıfır olmayan unsurları ayrılamadı. Bilgisayarın sabit diskinde yeniden matrisi kaydedin.
Not: sapma gösteren ve düzlemsel dalga yöntemleri iki ayrı rekonstrüksiyon matrisleri kullanın.- GPU matrisine yeniden matrisi Cast. Matlab komut penceresi ve basın "Enter" üretici tarafından aşamalı dizi ile ilişkili ve verilen komut dosyası kullanarak ultrason kanal veri toplama için bir kurulum dosyası oluşturmak için düzlem dalga görüntüleme için dalga görüntüleme ya da "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" uzaklaşan için "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" Enter ultrason sisteminin. Düzlem dalga görüntüleme için dalga görüntüleme ve "P4-2Flash_PlaneWave.mat" uzaklaşan kurulum dosyası "P4-2Flash_DivergingWave.mat" olarak adlandırın.
Not: Bir ticari yazılım paketi, bilgisayar t yüklü olması gerekmektediro bir GPU matrisine yeniden seyrek matris attı.
- GPU matrisine yeniden matrisi Cast. Matlab komut penceresi ve basın "Enter" üretici tarafından aşamalı dizi ile ilişkili ve verilen komut dosyası kullanarak ultrason kanal veri toplama için bir kurulum dosyası oluşturmak için düzlem dalga görüntüleme için dalga görüntüleme ya da "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" uzaklaşan için "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" Enter ultrason sisteminin. Düzlem dalga görüntüleme için dalga görüntüleme ve "P4-2Flash_PlaneWave.mat" uzaklaşan kurulum dosyası "P4-2Flash_DivergingWave.mat" olarak adlandırın.
- Karaciğerin yüksek kare hızı ultrason veri toplama HIFU aynı anda başlar ve böylece harici tetikleyici kullanarak fonksiyon jeneratörü ile ultrason sistemini eşitleyin.
- Matlab açın. B-mod görüntüleme kullanmak için ultrason sistemi üreticisi tarafından sağlanan kurulum komut "SetUpP4_2Flash_4B.m" çalıştırın. "P4-2Flash_4B_Bmode.mat": oluşturulan kurulum dosyasını adlandırın. "Sürecine .mat dosyasının Adı: '' VSX" komutunu ve kullanmak istenir, kurulum dosyası "P4-2Flash_4B_Bmode.mat" adını girin. Her iki dönüştürücüler Taşı ve aşındırılması için karaciğer hedeflenen bölgede onları konumlandırmak için bilgisayar ekranında beliren B-mod ekranı kullanabilirsiniz. Nedeniyle emilimi yüksek ultrason zayıflama önlemek için bölgeyi karaciğer yüzeyinin altında yaklaşık 1 cm hedefleyin. Bilgisayardaki karaciğer geleneksel B-mod görüntü kaydetme.
Not:Burada her ablasyon için 3-D pozisyoner ile dönüştürücüleri hareket ettirerek iki karaciğer örneklerinde 11 farklı yerlerde HIFU ablasyonlarını.
2. Ultrason Veri Toplama
- Matlab açın. "VSX" komutunu kullanın ve "sürecine .mat dosyasının Adı:" zaman istenir, düzlem dalga için dalga görüntüleme ya da "P4-2Flash_PlaneWave.mat" uzaklaşan kurulum dosyası "P4-2Flash_DivergingWave.mat" adını girin görüntüleme. HIFU başlatın ve hedeflenen bölgeye 2 dakika boyunca uygulayın.
- Iraksak dalgaları kullanılarak 2 dakika boyunca saniyede 1000 kare RF kanalı verilerini edinin. Alternatif olarak, 2 dak kullanarak düzlem dalgaları sırasında saniyede 1.000 kare RF kanalı verilerini kazanır.
- PCI Express kablo üzerinden ana bilgisayara her 200 kare verileri aktarın. Alternatif olarak, gerçek-zamanlı streaming için, uçak dalgaları ve transf kullanarak 2 dakika boyunca saniyede 167 kare RF kanalı veri eldebir ana bilgisayara veri her 2 kare er.
Not: 200 kare seti ile görüntüleme yöntemleri her set arasında her ayarlanır ancak oluşturmak boşluklar içinde yüksek zamansal çözünürlük sağlar ve off-line işlem için uygundur. 167 fps'de görüntüleme yöntemi bir alt temporal çözünürlüğe sahip ama tüm ablasyon zaman içinde herhangi bir boşluk yaratmaz ve gerçek-zamanlı streaming için uygundur. - Matlab ile bir tek duyarlıklı GPU matris RF kanal veri matrisi Cast. Yeniden RF verileri 11 elde etmek rekonstrüksiyon matris tarafından RF kanal veri matrisi çarpın.
3. Deplasman Görüntüleme
- Matlab DSP Sistemi Araç Kutusu'nu kullanarak 4 MHz kesici frekansında bir 6. derece Butterworth alçak geçirgen filtre oluşturun. 4,5 MHz HIFU bileşenini filtrelemek için yeniden RF verilerine bu alçak geçirgen filtre uygulayın.
- 1-D normalize çapraz korelasyon kullanarak ardışık çerçeve arasındaki eksenel deplasman tahmin edinBir 3.1mm-pencere uzunluğu ve% 90 örtüşme ile.
- Matlab DSP Sistemi Araç Kutusu'nu kullanarak 100 Hz kesici frekansında bir 6. derece Butterworth alçak geçirgen filtre oluşturun. 50 Hz-titreşimli frekans bileşeni almak için Matlab zamansal deplasman verilerine bu alçak geçirgen filtre uygulayın.
- -6 DB fokal bölge olarak faiz (ROI) bir bölge tanımlayın (1.7 x 0.4 mm su) ve 70 mm uzakta dönüştürücüsü yüzeyinden yer. Bu ROI deplasman verileri ayıklayın. Ortalama yer değiştirme ve ROI deplasman standart sapma arasındaki oran olarak ablasyon 2 dakika sonra fokal bölgede yer değiştirme sinyal-gürültü oranını (SNR d) tahmin edin.
- Deplasman matris verilerinden odak noktasında 50 Hz geçici yer değiştirme sinyali ayıklayın. Matlab duyulabilir ses haline odak noktasında geçici yer değiştirme sinyali dönüştürün.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
HIFU ablasyon sırasında HMI deplasman gerçek-zamanlı streaming sapma gösteren ve düzlem dalga görüntüleme kullanılarak elde edilebilir. Şekil 2 HIFU ablasyon sırasında in vitro köpek karaciğerlerinde düzlem dalga görüntüleme kullanarak akustik radyasyon kuvvet kaynaklı deplasman gerçek zamanlı ekran gösteren bir video ekran yakalama . Değiştirmeler 4.5 Hz'lik bir görüntü kare hızında bilgisayar ekranında gerçek zamanlı olarak gönderilir. Pozitif yer değiştirmeler mavi, kırmızı ve olumsuz değiştirmeler gösterilmiştir. Lezyonlar başarıyla HIFU ablasyon. Şekil 3 Şekil 2'ye tekabül eden ablasyon sonrası karaciğer elde edilen lezyon gösterir kullanılarak teslim edildi.
HIFU ablasyon sırasında HMI tepe negatif deplasman genlik azaltır sapma gösteren ve düzlem dalga görüntüleme hem görüntülü olabilir. Şekil 4 Ayrılan ve düzlem dalga ile ablasyon farklı aşamada HMI zirve negatif değiştirmesini göstermektedirgörüntüleme. Tepe olumsuz değiştirmeler olmadan ve B-modu bindirme daha net deplasman deseni görmek ve sırasıyla karaciğer hedeflenen bölgeyi görmek için hem gösterildi. Düzlem dalga (Şekil 4C) ile izlenen ablasyon karşılık 50 Hz HMI deplasman ses video kurulmuştur. Nedeniyle ablasyon HMI deplasman genliğindeki azalma ek izleme aracı sağlayan duyulabilir. Ayrıca ve ablasyon. Şekil 5A sırasında HIFU artar heyecan bölgenin büyüklüğü 5B fokal bölgede HMI yer değiştirmeleri gösterdiğini Şekil 4 sırasıyla sapma gösteren ve düzlem dalga için ablasyon sırasında. HMI deplasman büyüklükte azalma Şekil 6. Hem Ayrılan ve düzlem dalga görüntüleme için açıkça görünür hem ayrılan yönelik karaciğerde hedeflenen tüm yerler için peak-tepe deplasman azalma (Şekil gösterir 6A) ve düzlem (Şekil 6B) dalga görüntüleme. Düzlem dalgası zirve-tepe deplasman düşüş dalgası ayrılan elde edilen biri için önemli ölçüde farklı değildir.
Düzlem dalga görüntüleme Şekil 7. Dalga görüntüleme ayrılan daha odağında yüksek SNR d bulunmuştur (Şekil 7B) dalga görüntüleme (Şekil 7A) ve uçağı ayrılan yönelik karaciğerde tüm lezyon pozisyonları için ROI SNR d gösterir oldu . Uçak için ortalama SNR d dalga görüntüleme ayrılan nazaran 1,7 kat daha fazlaydı.
Şekil 1. Deneysel set-up. HMIFU sistemi (A) Temsil. Deneysel set-up (B) Resim.om / files / ftp_upload / 53050 / 53050fig1large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 2. Gerçek zamanlı HMI deplasmanlar. 4.5Hz ekran kare hızında bir köpek karaciğer HIFU ablasyon sırasında düzlem dalga görüntüleme ile HMI deplasmanları gerçek zamanlı akış gösteren bilgisayarın ekran yakalama. Sol yan panel süzülmüş HMI değiştirmeleri göstermektedir ve sağ taraftaki paneli karaciğer öncesi ablasyon B-modu üst üste süzülmüş HMI yer değiştirmeleri göstermektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
HI tarafından uyarılan Şekil 3. LezyonFU. HIFU tedavisi sonrasında bir lezyonun orta kesitinin resmi. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4. Iraksak ve yer değiştirmelerin düzlemsel dalga görüntüleme. B-mod bindirme (B), düzlem dalga görüntüleme kullanarak hiçbir B-mod bindirme (A) dalga ayrılan kullanarak köpek karaciğer HIFU ablasyon sırasında Tepe negatif HMI deplasman görüntüleme, Hiçbir B-mod bindirme (C) ve B-mod kaplaması ile (D) ile. Video kurulmuştur (Şekil 4C) düzlem dalga ile izlenen ablasyon karşılık 50 Hz HMI deplasman ses. Pkira bu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.
Şekil 5. HMI fokal deplasman. Fokal bölgede HMI deplasman ayrılan kullanarak HIFU ablasyonu (A) ve düzlem (B) dalga görüntüleme sırasında. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 6. Tepe-tepeye deplasman azalma. Fokal ayrılan kullanarak HIFU ablasyonu sırasında bölgeye (A) ve düzlem (B) dalga görüntülemede Tepe-tepeye deplasman azalma. LütfenBu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.
Şekil 7. Deplasman sinyal-gürültü oranı. (A) ve farklı ablasyon pozisyon için uçak (B) dalga görüntüleme ayrılan yönelik odak noktasında yer değiştirme sinyal-gürültü oranı. Tıklayınız Bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
HIFU lezyonlarının Gerçek zamanlı izleme, uygun ve verimli bir lezyon teslimini sağlamak için önemlidir. Lezyon formları gibi, doku sertleşir ve uyarma altında hareket genliği azalır. Doku değiştirmesini uyaran bir akustik radyasyon yürürlükte doku sonuçları bir bölgede HIFU uygulanması. Yerinden göreceli değişim doku sertliği göreli bir değişim vekil olduğunu. Bu teknik, diğer ultrason tabanlı yöntemlerin aksine tedavi durmadan HIFU'nun lezyonu takip avantajını sunmaktadır. Bu çalışmada (4,5 Hz) gerçek zamanlı izleme zamansal çözünürlükte MR-HIFU ablasyon güdümlü (1 Hz) elde edilen daha yüksek oldu.
Ultrason RF verinin hızlı oluşumu değiştirmesinin gerçek-zamanlı streaming için kritik bir adımdır. Görüntünün yeniden işleme yavaş adımıdır. Bu protokolde, görüntü rekonstrüksiyon hızı tüm çerçeve usi alarak optimize edildiTek bir operasyon ng. Bu işlem, bir matrisle RF kanalı verilerini çarpılması oluşur. Matris Sadece sıfır olmayan elemanlar hesaplama zamanını optimize etmek için tahsis edildi ve
Çarpma bir grafik işlemci performansı üzerinde gerçekleştirilmiştir. Hızlı bir 1-D normalleştirilmiş çapraz-korelasyon yöntemi değiştirmeleri tahmin etmek için kullanıldı. % 80 bir pencere üst üste iyi trade-off hesaplama zaman ve yer değiştirme görüntülerin eksenel çözünürlük arasında verir.
Gönderme huzmesi oluşturma yöntemi de deplasman görüntünün kalitesini etkileyebilir. SNR d iki örneklem t-testi kullanılarak düzlem dalga görüntüleme için daha uzaklaşan için önemli ölçüde daha düşük olduğu tespit edildi. Yer değiştirme büyüklüğü de düzlem dalga görüntüleme için daha ıraksayan düşüktü. Bu durum dalga farklı doğada için ayrılan dalganın eksenel yönde tüm ROI HIFU ışını ile uyumlu değildir gerçeği ile açıklanabilirdüzlem dalgası kontrast. Iraksayan dalga görüntüleme için lezyon # 3 için bulunan düşük zirve-zirve yer değiştirme azalma makroskopik patoloji sonra gözlenen lezyonun merkezinde bir kabın varlığı nedeniyle olabilir. Düzlem dalga görüntüleme için lezyon 4. bulundu düşük SNR d karaciğer yüzeyine odak yakınlığı nedeniyle olabilir. Aynı zamanda hareket kestirimi kalitesini etkileyebilir düzlem dalga dalgalar uzaklaşan oluşur ve vadesi geometrik yanal yönde yayılan bu zayıflama unutulmamalıdır. Aynı ultrason transdüser kullanırken Ancak, ayrılan dalga görüntüleme sürekli görüntü bölgenin en büyük parçası aşındırılması için ilgi olan düzlem dalga görüntülemeden daha daha geniş bir görüş alanı sunuyor.
Bu protokol, aşamalı bir dizi görüntü ablasyon bölgesinin sadece bir kesitidir görüntülendi ve böylece yer değiştirmeler kullanılmıştır. Bir 2-D dizi dönüştürücü görüntü t kullanılabilirablasyon bölgenin o tüm hacim. Karaciğer içinde çeşitli konumlarda ablasyon karaciğer dönüştürücü görece hareket ile elde edildi. Işın direksiyon daha uygun hedefleme sağlamak için tedavi edilecek bölgenin farklı yerleri hedef HIFU probu ile yapılabilir. Söz konusu teknik gelişmeler yanında, gelecekteki tarifi bu yöntemin klinik çevirisini içerir.
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).
