This article describes real-time monitoring of HIFU ablation in canine liver with high frame rate ultrasound imaging using diverging and plane wave imaging. Harmonic Motion Imaging for Focused Ultrasound is used to image the decrease of acoustic radiation force induced displacement in the ablated region.
Harmonic Imaging Movimento per Focused Ultrasound (HMIFU) è una tecnica in grado di eseguire e monitorare High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) ablazione. Un moto oscillatorio viene generato al centro di un 93-elemento e 4,5 MHz frequenza centrale HIFU trasduttore applicando un segnale modulato in ampiezza 25 Hz utilizzando un generatore di funzione. A 64-elemento e 2,5 MHz trasduttore di imaging con 68kPa pressione di picco è confocally posto al centro del trasduttore HIFU per acquisire i dati del canale a radiofrequenza (RF). In questo protocollo, il monitoraggio in tempo reale della termoablazione con HIFU con una potenza acustica di 7 W in fegati canino in vitro è descritta. Trattamento HIFU è applicato sul tessuto durante 2 minuti e la regione ablato è ripreso in tempo reale utilizzando l'imaging divergenti o un'onda piana fino a 1.000 fotogrammi / secondo. La matrice dei dati del canale RF viene moltiplicata per una matrice sparsa per la ricostruzione dell'immagine. Il campo ricostruito di vista è di 90 ° per divergente wave e 20 mm per l'imaging onde piane ed i dati sono campionati a 80 MHz. La ricostruzione viene eseguita su una Processing Unit grafica (GPU) per immagini in tempo reale ad un frame rate 4.5 display. 1-D normalizzato cross-correlazione dei dati RF ricostruito viene utilizzato per stimare spostamenti assiali nella regione focale. L'entità dello spostamento picco-picco alla profondità focale diminuisce durante l'ablazione termica che denota irrigidimento del tessuto a causa della formazione di una lesione. Il segnale-rumore rapporto di spostamento (SNR d) presso l'area focale di un'onda piana è stata di 1,4 volte superiore a quello divergente onda mostrare che l'imaging onda piana sembra produrre meglio spostamento mappe di qualità per HMIFU di divergenza di imaging onda.
High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a technique that generates temperature elevation at the focal region and can be used to ablate cancerous tissue 1. Temperature elevation at the focus causes thermal lesions in the tissue 2. In order to avoid overtreating a region and to reduce treatment duration, it is imperative to reliably monitor the ablation. Magnetic resonance-guided focused ultrasound (MRgFUS) is the main technique used in clinic to guide and monitor HIFU treatment 3. MRI provides high spatial resolution images of the treated region with tissue displacement or thermal dose but has a frame rate of 0.1-1 Hz and is costly. Several ultrasound-based techniques such as B-mode imaging 4, passive acoustic mapping 5, shear wave imaging 6 and acoustic radiation force impulse 7 have been developed to guide and monitor thermal ablation. However, B-mode imaging and passive acoustic mapping do not provide imaging of mechanical properties of the ablated region which is useful to the operator to improve lesion delivery.
Shear wave imaging and acoustic radiation force impulse can both characterize the elasticity of the tissue by measuring acoustic radiation force-induced displacements 7,8. However, in both methods, the HIFU treatment is typically interrupted to monitor the ablation. Our group has developed a technique called Harmonic Motion Imaging for Focus Ultrasound (HMIFU) which can monitor the HIFU treatment with ultrasound without stopping the ablation9,10. Briefly, a HIFU transducer sends an amplitude-modulated wave to the region to ablate while simultaneously generating an oscillatory motion in the focal region. A co-axially aligned ultrasound transducer is used to image this oscillation. The magnitude of the induced motion is related to the stiffness of the tissue.
To ensure proper lesion delivery, the temporal resolution of real-time monitoring is of key interest in ablation guidance. Recently, our group has shown real-time streaming of displacement at a frame rate up to 15 Hz, imaged with diverging waves in a narrow field of view and using a fast image reconstruction method 11. Several beamforming techniques can be used to image the displacements. A large field of view can be obtained with diverging wave imaging by changing the delay profile but the axial direction is not aligned with the HIFU beam on the lateral regions and the wave is attenuated due to geometric spreading in the lateral direction, which can affect the quality of the displacement estimation. In contrast, the lateral field of view for plane wave is upper bounded by the active aperture but the axial direction is aligned with the HIFU beam at the focus and there is no geometric spreading in the lateral direction. Depending on the type of application, one or the other imaging method can be selected. The objectives of this protocol are to show how plane wave imaging can provide real-time streaming of displacements images using HMIFU during ablation and to compare the quality of the motion estimation between diverging and plane wave imaging.
Monitoraggio in tempo reale delle lesioni HIFU è importante per garantire una corretta ed efficiente consegna lesione. Poiché le forme di lesione, il tessuto si irrigidisce e la sua ampiezza di movimento sotto eccitazione diminuisce. Applicando HIFU in una regione dei risultati di tessuto in una forza di radiazione acustica che induce lo spostamento del tessuto. La variazione relativa di spostamento è un surrogato di variazione relativa di rigidità dei tessuti. Questa tecnica offre il vantaggio di monitorare HIFU le…
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the National Institutes of Health (R01-EB014496). The authors would like to thank Iason Apostolakis for his contribution to the experiments.
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 |