Nøyaktige og effektive visualisering av invasiv medisinsk utstyr er svært viktig for mange ultralyd-guidede minimal invasiv prosedyrer. Her, er en metode for å lokalisere romlige plasseringen av en pinne-spissen i forhold til ultralyd imaging sonden presentert.
Ultralyd brukes ofte til guiding minimal invasiv prosedyrer, men visualisere medisinsk utstyr er ofte utfordrende med denne tenkelig modalitet. Når visualisering er tapt, kan medisinske enhet forårsake traume til kritisk vev strukturer. Her vises en metode for å spore pinne-spissen under ultralyd bildet-guidede prosedyrer. Denne metoden innebærer bruk av en fiberoptisk ultralyd-mottaker som er festet i kanyle av en medisinsk nål kommunisere ultrasonically med eksterne ultralyd probe. Denne egendefinerte sonde består av en matrise med sentrale transducer element og siden elementet matriser. I tillegg til konvensjonelle todimensjonal (2D) B-modus ultralyd imaging leveres av sentrale matrisen, gis tredimensjonale (3D) pinne-spissen sporing av side-matriser. For B-modus ultralyd imaging utføres en standard transmit-receive sekvens med elektronisk beamforming. For ultralyd sporing, Golay-kodet ultralyd sendinger fra 4 side arrayene er mottatt av hydrophone sensoren, og senere de mottatte signalene er dekodet å identifisere pinne-spissen romlige plassering i forhold til ultralyd imaging sonden. Som en foreløpig validering av denne metoden, ble innsettinger i p/hydrophone paret utført i klinisk realistisk sammenhenger. Denne romanen ultralyd imaging/sporing metoden er kompatibel med gjeldende kliniske arbeidsflyten, og det gir pålitelig enhet sporing under i-fly og ut-av-plane nål innsettinger.
Nøyaktige og effektive lokalisering av invasiv medisinsk utstyr er svært ønskelig i mange ultralyd-guidede minimal invasiv prosedyrer. Disse prosedyrene er oppstått i klinisk sammenhenger som regionale anestesi og intervensjonsradiologi smerte ledelse1, intervensjonsradiologi onkologi2og fetal medisin3. Visualisering av medisinsk utstyr spissen kan være utfordrende med ultralyd imaging. Under-plane innsettinger har nåler ofte dårlig sikt når innsettingspunktet vinkler er bratt. Videre under ut-av-plane innsettinger, kan p akselen feiltolkes som pinne-spissen. Når pinne-spissen ikke er ultrasonically synlig, kan det føre til komplikasjoner ved å skade viktige vev strukturer.
Det finnes mange metoder å lokalisere medisinsk utstyr under ultralyd imaging, men en pålitelig som er kompatibel med gjeldende kliniske arbeidsflyten er svært ønskelig. Echogenic flater kan brukes til å forbedre synligheten i bratt vinkel i flyet innsettinger4. Elektromagnetisk sporingssystemer kan brukes i ut-av-plane innsettinger, men elektromagnetiske felt forstyrrelser kan sterkt forringe nøyaktigheten. 3D ultralyd imaging kan forbedre synligheten av medisinsk utstyr i visse hjerte og fetal prosedyrer når de er omgitt av væsker5. Men brukes 3D ultralyd imaging mye ikke for p veiledning, delvis på grunn av kompleksiteten med bilde tolkning.
Ultralyd sporing er en metode som har vist stort potensial for å forbedre medisinsk utstyr synlighet6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. Med ultralyd sporing har medisinsk enheten en innebygd ultralyd sensoren eller sender som aktivt kommuniserer med eksterne ultralyd imaging sonde. Medisinsk utstyr plasseringen kan identifiseres fra den målte ultralyd tid av flyreiser mellom det innebygde ultralyd sensoren/senderen og forskjellige svinger av sonden. Hittil er ultralyd sporing begrenset-plane oppfølging, som har sterkt begrenset klinisk bruk.
Her en demonstrasjon av hvordan 3D ultralyd sporing kan utføres med en egendefinert ultralyd imaging sonde og en fiberoptisk hydrophone festet i kanyle et nåløye gis (figur 1). Denne egendefinerte sonde, som ble designet av forfatterne og produsert eksternt, består av en sentral elementmatrise svinger og fire siden matriser. Den sentrale tabellen brukes for 2D ultralyd imaging; side-matriser p for 3D tips sporing sammen med fiberoptisk ultralyd mottakeren. Det vises hvordan fiberoptisk ultralyd mottakeren kan plassere og festet i p kanyle, hvordan sporing nøyaktigheten av systemet kan være målt på Borstemmaskin og hvordan klinisk godkjenningen kan utføres.
Her viser vi hvordan 3D ultralyd sporing kan utføres med en egendefinert ultralyd imaging sonde og en fiberoptisk hydrophone integrert i en nål. Fra en klinisk oversettelse ståsted er flere aspekter av egendefinerte sonden utviklet i denne studien attraktive. Den kompakte størrelsen er velegnet for bruk i små områder som i armhulen der manøvrering store 3D bildeprodukter sonder er utfordrende. En begrensning av gjennomføringen av 3D ultralyd sporing presenteres her er at voltstyrke var pålagt å veksle mellom imaging og sporing moduser. I fremtidige implementeringer, denne vekslingen kan gjøres direkte av ultralyd imaging system.
Fiberoptisk hydrophone er godt egnet til ultralyd nål sporing. Dens høy grad av miniatyrisering og fleksibilitet gir sin integrering i medisinsk utstyr med små lateral dimensjoner. Brede frekvens båndbredde16 gir kompatibilitet med forskjellige kliniske ultralyd sonder. I tillegg gir sin omnidirectionality16 sporing pinne som settes inn på en rekke vinkler. Til slutt, immunitet til forstyrrelser fra EM felt og metallgjenstander gjør det mer egnet til kliniske innstillinger i motsetning til EM sporing. For å oppnå større ultralyd oppdagelsen følsomhet, kan en plano-konkave Fabrys-Pérot hulrom brukes i fremtidige17. Til slutt, ultralyd sporing kan kombineres med andre modaliteter i en enkelt optisk fiber som refleksjon spektroskopi18,19,20,21,22, 23, Raman spektroskopi24, optical coherence tomografi25,26og photoacoustic imaging27,28,29,30 , 31 , 32 , 33.
Ultralyd sporing har begrensninger som deles med ultralyd imaging. Først vil vev heterogeneities negativt påvirke ultralyd sporing. romlig variasjoner i hastigheten på lyden av vev vil redusere sporing nøyaktigheten, som demonstrert av numeriske simuleringer i en tidligere studie14. Andre, anatomiske strukturer som er svært reflekterende til ultralyd bølger, som benete strukturer eller luft hulrom, er sannsynligvis ikke kompatibel med ultralyd sporing. I fremtidige kan studier, nål tips posisjonen oppnådd med andre tenkelig modaliteter, slik som 3D roterende C-arm tomografi X-ray, brukes til å vurdere nøyaktigheten av 3D ultralyd sporing i heterogen vev i vivo.
Til tross for de siste fremskritt innen ultralyd imaging fortsatt presis sporing og effektiv manipulering av medisinsk utstyr under veiledning av denne modaliteten utfordrende, selv for ekspert utøvere. Aktiv kommunikasjon mellom eksterne ultralyd sonder og medisinsk utstyr, kan som vist her, forbedre fremgangsmåter for sikkerhet og effektivitet. Disse forbedringene kan forenkle innføringen av ultralyd imaging i stedet for X-ray fluoroscopy i flere kliniske sammenhenger, som spinal innsettinger for intervensjonsradiologi smertebehandling. Systemet utviklet i denne studien muliggjør 3D ultralyd sporing og 2D ultralyd imaging med en kompakt ultralyd probe. Det kan forbedre ultralyd-guidede minimal invasiv prosedyrer ved å gi nøyaktig lokalisering av pinne-spissen innenfor gjeldende kliniske arbeidsflyt.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av en nyskapende Engineering helse prisen av Wellcome Trust (nr. WT101957) og Engineering og Physical Sciences Forskningsrådet (EPSRC) (nr. NS/A000027/1), en Wellcome/EPSRC Centre prisen [203145Z/16/Z & NS/A000050/1], starter stipend fra europeiske Forskningsrådet (Grant nr. ERC-2012-StG, forslag 310970 MOPHIM), og en EPSRC første stipend (nr. EP/J010952/1). A.L.D. støttes av UCL/UCLH NIHR omfattende biomedisinsk forskning sentrum. Forfatterne er takknemlig til ansatte i Royal Veterinary College for sine verdifull hjelp med i vivo eksperimenter.
Ultrasound imaging system | BK ultrasound (ultrasonix) | SonixMDP | |
Custom ultrasound probe | Vermon | ||
Spinal needle | Terumo | 20 gauge | |
Fibre-optic hydrophone | Precision Acoustics | ||
Fibre-optic stripping tool | Thorlabs | FTS4 | |
Stereo microscope | Leica Microsystems | Z16APO | |
Tuohy-Borst Sidearm adapter | Cook Medical | PTBYC-RA | |
Pipette | Eppendorf | 100 mL | |
Micropipette tip | Eppendorf | 20 µL | |
Ultraviolet optical adhesive | Norland Products | NOA81 | |
Syringe | Terumo | 10 mL | |
Ultraviolet light source | Norland Products | Opticure 4 Light Gun | |
Data acquisiton card | National Instruments | USB-5132 | |
Articulated arm | CIVCO | 811-002 | |
Thiopental sodium | Novartis Animal Health UK | Thiovet | |
Isoflurane | Merial Animal Health | Isoflurane-Vet | |
Ocular lubricant | Allergan, Marlow, UK | Lacri-Lube | |
Skin lubricant | Adams Healthcare, Garforth, UK | Hibitane 2% |