Valutare l'accuratezza del Targeting nel piano focale per un'ultrasuono-guida ad alta intensità focalizzati ultrasuoni Phased-array System
Summary
Questo studio descrive un protocollo per valutare l’accuratezza del targeting nel piano focale di un sistema di phased-array ecoguidato ultrasuoni focalizzati ad alta intensità.
Abstract
Phased array sono sempre più utilizzati come trasduttori ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (HIFU) extracorporea ecoguidato HIFU (USgHIFU) sistemi esistenti. I trasduttori HIFU in tali sistemi sono solitamente sferici in forma con un foro centrale dove una sonda imaging US è montata e può essere ruotata. L’immagine sul piano del trattamento può essere ricostruita attraverso la sequenza di immagini acquisite durante la rotazione della sonda. Pertanto, il piano di trattamento possa essere effettuato le immagini ricostruite. Al fine di valutare l’accuratezza del targeting nel piano focale di tali sistemi, il protocollo di un metodo utilizzando un bovino muscolare e indicatore incorporato phantom è descritto. Nel fantasma, quattro sfere solide negli angoli di un modello quadrato in resina servono come gli indicatori di riferimento nell’immagine ricostruita. La destinazione deve essere spostata in modo che sia il suo centro e il centro del quadrato modello può coincidere secondo la loro posizione relativa dell’immagine ricostruita. Muscolo di suina con uno spessore di circa 30 mm viene posizionato sopra il fantasma per simulare il percorso del raggio nelle regolazioni cliniche. Dopo sonicazione, il piano di trattamento nel fantasma viene analizzato e il contorno della lesione associata viene estratta dall’immagine acquisita. L’accuratezza del targeting può essere valutato misurando la distanza tra i centri di lesione e di destinazione, come pure tre parametri derivati. Questo metodo non è possibile valutare solo l’accuratezza del targeting del target costituito da punti focali multipli piuttosto che un singolo punto focale in un percorso di larghezza clinicamente rilevanti del sistema phased-array USgHIFU, ma può essere anche utilizzato nella valutazione preclinica o regolare manutenzione di sistemi di USgHIFU configurati con trasduttore HIFU phased-array o auto-incentrato.
Introduction
Phased array è sempre più progettato e attrezzato in HIFU sistemi1,2,3,4,5,6,7. In USgHIFU sistemi phased-array, una sonda di formazione immagine degli Stati Uniti è di solito montata nel foro centrale del sferica HIFU trasduttore1,2,8. La sonda è ruotabile per la ricostruzione di targeting e immagine nello spazio tridimensionale9. Una focalizzazione precisa è necessaria per la sicurezza e l’efficacia del trattamento HIFU. Tuttavia, la maggior parte degli studi per la valutazione della precisione di targeting sono stata effettuata per sistemi di guida di risonanza magnetica HIFU o USgHIFU sistemi configurati con un auto-incentrato HIFU trasduttore10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. lo scopo del metodo descritto di seguito è quello di valutare l’accuratezza del targeting nel piano focale per sistemi phased array USgHIFU.
Un fantasma bovina muscolo/marcatore-incastonati lungo il percorso del fascio clinicamente rilevanti è utilizzato nella valutazione dell’accuratezza targeting di un sistema di phased-array USgHIFU clinico. Un modello quadrato con quattro palle agli angoli è fabbricato e incorporato, in combinazione con il muscolo bovino, nel fantasma trasparente. Un esagono regolare è selezionato come destinazione sulla base delle posizioni dei centri dei quattro palle identificate nell’immagine ricostruita US nel piano di trattamento. Dopo sonicazioni HIFU, viene analizzato il piano di trattamento del fantasma e il contorno della lesione, così come le posizioni delle quattro sfere, possono essere determinate nell’immagine scansionata. L’accuratezza del targeting può essere valutato misurando la distanza tra i centri di lesione e di destinazione, come pure tre parametri derivati.
Il metodo è più semplice che la misurazione dell’errore targeting utilizzando movimento robotico con un riferimento specifico oggetto11,17,18 e più clinicamente rilevante rispetto al metodo basato su singolo focale ablazione di spot in un fantasma omogeneo10. Questo metodo può essere utilizzato nella valutazione dell’accuratezza targeting dei sistemi phased array USgHIFU. Può essere utilizzato anche per altri sistemi di USgHIFU auto-incentrato HIFU trasduttori.
Protocol
Representative Results
Discussion
Componenti robotiche sono state utilizzate per sistemi di USgHIFU extracorporea. Per valutare l’accuratezza del targeting di tali sistemi, riferimento marcatori11,12,18, tessuto in vitro17, modelli di tumore-mimico e termosensibile fantasmi sono stati utilizzati da soli o in combinazione 10,20. Confrontato con i protocolli in quegli studi, questo …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato in parte dalla National Natural Science Foundation of China (81402522), Shanghai Key Technology R & D programma (17441907400) da scienza e tecnologia della Commissione della municipalità di Shanghai e Shanghai Jiao Tong University Fondo di ricerca di ingegneria medica (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd. è anche riconosciuto per fornire il sistema di USgHIFU. Gli autori ringraziano Wenzhen Zhu e Junhui Dong per la preparazione di fantasma e la loro assistenza negli esperimenti.
Materials
| Acrylamide | Amresco | D403-2 | |
| Acrylic baseboard | LAO NIAO STORES | customized | |
| Acrylic cylindrical water tank | LAO NIAO STORES | customized | |
| Ammonium persulfate | Yatai United Chemical Co., Ltd (Wuxi, China) | 2017-03-01 | |
| Beaker | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Bis-acrylamide | Amresco | M0172 | |
| Bovine muscle | Market | ||
| Chopping board | JIACHI | JC-ZB40 | |
| Cylindrical plastic phantom holder | QIYINPAI | customized | |
| Degassed deionized water | made by the USgHIFU system | ||
| Electric balance | YINGHENG | 11119453359 | |
| Glass rod | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Knife | SHIBAZI | SL1210-C | |
| Mask | Medicom | 2498 | |
| N,N,N’,N’–Tetramethylethylenediamine | Zhanyun Chemical Co., Ltd (Shanghai, China) | ||
| Rubber glove | AMMEX | YZB/MAL 0587-2018 | |
| Scanner | Fuji Xerox | DocuPrint M268dw | |
| Screwdriver | Stanley | T6 | |
| Silica gel | GE | 381 | |
| Square model | QIYINPAI | customized | |
| Stainless steel spoons | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Sucker | East China Chemical Reagent Instrument Store | ||
| Swine muscle | Market | ||
| USgHIFU system | Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd. | SUA-I |
References
- 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. W., et al. Portable high-intensity focused ultrasound system with 3D electronic steering, real-time cavitation monitoring, and 3D image reconstruction algorithms: a preclinical study in pigs. Ultrasonography. 33 (3), 191-199 (2014).
- Hand, J. W., et al. A random phased array device for delivery of high intensity focused ultrasound. Physics in Medicine and Biology. 54 (19), 5675-5693 (2009).
- Khokhlova, V. A., et al. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields. Physics Procedia. 87, 132-138 (2016).
- Melodelima, D., et al. Thermal ablation by high-intensity-focused ultrasound using a toroid transducer increases the coagulated volume results of animal experiments. Ultrasound in Medicine and Biology. 35 (3), 425-435 (2009).
- McDannold, N., et al. Uterine leiomyomas: MR imaging-based thermometry and thermal dosimetry during focused ultrasound thermal ablation. Radiology. 240 (1), 263-272 (2006).
- Köhler, M. O., et al. Volumetric HIFU ablation under 3D guidance of rapid MRI thermometry. Medical Physics. 36 (8), 3521-3535 (2009).
- Lu, M., et al. Image-guided 256-element phased-array focused ultrasound surgery. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 27 (5), 84-90 (2008).
- Tong, S., Downey, D. B., Cardinal, H. N., Fenster, A. A three-dimensional ultrasound prostate imaging system. Ultrasound in Medicine and Biology. 22 (6), 735-746 (1996).
- Sakuma, I., et al. Navigation of high intensity focused ultrasound applicator with an integrated three-dimensional ultrasound imaging system. Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention. , 133-139 (2002).
- Masamune, K., Kurima, I., Kuwana, K., Yamashita, H. HIFU positioning robot for less-invasive fetal treatment. Procedia CIRP. 5, 286-289 (2013).
- Li, K., Bai, J. F., Chen, Y. Z., Ji, X. The calibration of targeting errors for an ultrasound-guided high-intensity focused ultrasound system. 2017 IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications (MeMeA). , 10-14 (2017).
- Ellens, N. P. K., et al. The targeting accuracy of a preclinical MRI-guided focused ultrasound system. Medical Physics. 42 (1), 430-439 (2015).
- McDannold, N., Hynynen, K. Quality assurance and system stability of a clinical MRI-guided focused ultrasound system: Four-year experience. Medical Physics. 33 (11), 4307-4313 (2006).
- Gorny, K. R., et al. MR guided focused ultrasound: technical acceptance measures for a clinical system. Physics in Medicine and Biology. 51 (12), 3155-3173 (2006).
- Kim, Y. S., et al. MR thermometry analysis of sonication accuracy and safety margin of volumetric MR imaging-guided high-intensity focused ultrasound ablation of symptomatic uterine fibroids. Radiology. 265 (2), 627-637 (2012).
- Chauhan, S., ter Haar, G. FUSBOTUS: empirical studies using a surgical robotic system for urological applications. AIP Conference Proceedings. 911, 117-121 (2007).
- An, C. Y., Syu, J. H., Tseng, C. S., Chang, C. J. An ultrasound imaging-guided robotic HIFU ablation experimental system and accuracy evaluations. Applied Bionics and Biomechanics. 2017, 5868695 (2017).
- Li, D. H., Shen, G. F., Bai, J. F., Chen, Y. Z. Focus shift and phase correction in soft tissues during focused ultrasound surgery. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 58 (6), 1621-1628 (2011).
- N’Djin, W. A., et al. Utility of a tumor-mimic model for the evaluation of the accuracy of HIFU treatments. results of in vitro experiments in the liver. Ultrasound in Medicine and Biology. 34 (12), 1934-1943 (2008).
- Tang, T. H., et al. A new method for absolute accuracy evaluation of a US-guided HIFU system with heterogeneous phantom. 2016 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). , 1-4 (2016).
- Li, K., Bai, J. F., Chen, Y. Z., Ji, X. Experimental evaluation of targeting accuracy of an ultrasound-guided phased-array high-intensity focused ultrasound system. Applied Acoustics. 141, 19-25 (2018).
