本研究描述了一种用于评估超声引导下高强度聚焦超声相控阵系统在焦平面内靶向准确性的实验方案。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
相控阵列正越来越多地用作现有体外超声引导高强度聚焦超声（HIFU）（USgHIFU）系统中的HIFU换能器。此类系统中的HIFU换能器通常呈球形，中心带有一个孔，用于安装超声成像探头并可实现旋转。通过探头旋转过程中获取的图像序列，可重建治疗平面上的图像，从而可在重建图像上制定治疗计划。为评估此类系统在焦平面内的靶向准确性，本文描述了一种使用牛肌肉及嵌有标记物的模体的方法方案。在该模体中，位于方形树脂模型四个角上的四个实心球体在重建图像中作为参考标记。应移动靶点，使其中心与方形模型的中心在重建图像中的相对位置重合。在模体上方放置厚度约为30 mm的猪肌肉，以模拟临床条件下的声束传播路径。超声辐照后，对模体中的治疗平面进行扫描，并从扫描图像中提取相应损伤区域的边界。通过测量靶点中心与损伤区域中心之间的距离以及三个衍生参数，可评估靶向准确性。该方法不仅可用于评估在USgHIFU相控阵系统具有临床相关声束路径条件下，由多个焦点而非单一焦点组成的靶点的靶向准确性，还可用于配置相控阵或自聚焦HIFU换能器的USgHIFU系统的临床前评估或常规维护。
引言
相控阵在高强度聚焦超声（HIFU）系统中的设计与应用日益广泛1,2,3,4,5,6,7。在超声引导的HIFU相控阵系统中，通常将超声成像探头安装在球形HIFU换能器的中心孔内1,2,8。该探头可旋转，以实现三维空间中的靶向定位与图像重建9。精确的靶向定位对于HIFU治疗的安全性和有效性至关重要。然而，目前大多数关于靶向精度评估的研究均针对磁共振引导的HIFU系统，或配置了自聚焦HIFU换能器的超声引导HIFU系统10,11,12,
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 标记物的设计与制备
- 使用计算机辅助设计软件设计一个方形模型。将每条边设置为长度40 mm、厚度2 mm的杆状结构，并在方形模型的每个角上放置一个直径为10 mm的实心球体。
- 采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯光敏树脂作为打印材料。
- 将3D模型文件发送给制造商进行加工制作。
2. 模体制备
- 在室温下，用硅胶将一个塑料圆筒（直径 8 cm，高 3 cm）固定在亚克力底板上，制成模体支架。静置 1 小时。
- 将新鲜的牛肌肉切成方形（30 mm × 30 mm，厚度 10 mm），通风 2 小时以蒸发水分。
- 在烧杯中倒入脱气去离子水（115 mL），加入 13 g 丙烯酰胺，搅拌至完全溶解；再加入 0.24 g 双丙烯酰胺，搅拌至溶解；随后加入 0.2 mL N,N,N',N'-四甲基乙二胺，充分搅拌均匀。
注意：请佩戴口罩和橡胶手套。 - 在另一烧杯中准备 5 mL 脱气去离子水，加入 0.3 g 过硫酸铵，搅拌至溶解。
警告：丙烯酰胺、双丙烯酰胺、N,N,N',N'-四甲基乙二胺和过硫酸铵具有毒性，请务必小心操作，避免身体接触。 - 依次将步骤 2.3 和 2.4 中制备的溶液各取 40% 倒入模体支架中，搅拌 5 秒，静置 20 分钟使其凝固。
- 将 3D 打印的方....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
我们制备了用于评估临床超声引导高强度聚焦超声（USgHIFU）相控阵系统对三种不同尺寸目标靶向准确性的仿组织体模。图1展示了0°和90°角度下的超声图像，界面清晰，方形模型的棒状结构在超声图像中显示明亮。图2展示了治疗平面上重建的超声图像以及最大目标的焦点位置，四个球体的中心由大小相同且平均灰度值最高的蓝色圆圈标出。图3展示了仿组织体模治疗平面的扫描图像以及目标和病灶边界的提取结果。
我们能够根据以下参数评估焦平面内的靶向准确性： dc, db, ηI，以及 ηO 在方案第6节中定义。针对每个靶点，实验重复三次。结果展.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
机器人组件已用于体外超声引导高强度聚焦超声（USgHIFU）系统。为了评估此类系统的靶向准确性，已有研究单独或联合使用参考标记物11,12,18、体外组织17、模拟肿瘤模型以及温度敏感型模体10,20。与这些研究中的方案相比，本方法更具临床相关性，并且便于量化焦平面内的靶向误差。通过将参考标记物与非均质透明模体相结合，本方法是在先前一项用于评估针对乳腺肿瘤消融的USgHIFU系统靶向准确性的研究基础上改进而来21。在前期研究中，我们已利用该方法验证了所开发的用于子宫肌瘤治疗的USgHIFU相控阵系统的有效性22。在未对声束路径进行焦点校正的情况下进行测试时，在切开的牛肌肉组织中仅观察到很小一部分.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
Xiang Ji 是中惠医疗科技（上海）有限公司的付费顾问。其他作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作部分得到了中国国家自然科学基金（81402522）和上海市关键技术研究与发展项目&上海市科学技术委员会 #38;D 计划（17441907400）和上海交通大学医工交叉研究基金（YG2017QN40，YG2015ZD10）提供资助。感谢中惠医疗科技（上海）有限公司提供 USgHIFU 系统。作者感谢朱文臻和董俊辉在模体制备及实验过程中提供的帮助。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 丙烯酰胺 | Amresco | D403-2 | |
| 亚克力踢脚线 | LAO NIAO STORES | 定制 | |
| 亚克力圆柱形水箱 | LAO NIAO STORES | 定制 | |
| 过硫酸铵 | 亚泰联合化工有限公司（中国无锡） | 2017-03-01 | |
| 烧杯 | 华东化学试剂仪器商店 | ||
| 双丙烯酰胺 | Amresco | M0172 | |
| 牛肌肉 | 市场 | ||
| 砧板 | 佳驰 | JC-ZB40 | |
| 圆柱形塑料 仿体支架 | 启音牌 | 定制 | |
| 脱气去离子水 | 由USgHIFU系统制备 | ||
| 电子天平 | 英恒 | 11119453359 | |
| 玻璃棒 | 华东化学试剂仪器商店 | ||
| 刀具 | 十八子 | SL1210-C | |
| 口罩 | Medicom | 2498 | |
| N,N,N’,N’–四甲基乙二胺 | 展云化工有限公司（中国上海） | ||
| 橡胶手套 | AMMEX | YZB/MAL 0587-2018 | |
| 扫描仪 | 富士施乐 | DocuPrint M268dw | |
| 螺丝刀 | Stanley | T6 | |
| 硅胶 | GE | 381 | |
| 方形模具 | 启音牌 | 定制 | |
| 不锈钢勺子 | 华东化学试剂仪器商店 | ||
| 吸盘 | 华东化学试剂仪器商店 | ||
| 猪肌肉 | 市场 | ||
| USgHIFU系统 | 中惠医疗科技（上海）有限公司 | SUA-I |
参考文献
- Wang, S. B., He, C. C., Li, K., Ji, X. Design of a 112-channel phased-array ultrasonography-guided focused ultrasound system in combination with switch of ultrasound imaging plane for tissue ablation. 2014 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic Waves, and Device Applications (SPAWDA). , 134-137 (2014).
- Choi, J....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
