Evaluere målretning nøjagtighed i brændplanet for en ultralydsvejledt højintensive fokuseret ultralyd gradvis array System
Summary
Denne undersøgelse beskriver en protokol for at vurdere målretning nøjagtigheden i brændplanet af en ultralyd-styrede højintensive fokuseret ultralyd gradvis array system.
Abstract
Phased arrays er i stigende grad brugt som højintensive fokuseret ultralyd (HIFU) transducere i de eksisterende ekstrakorporal ultralydsvejledt HIFU (USgHIFU) systemer. HIFU transducere i sådanne systemer er normalt sfærisk form med en central hul hvor en amerikanske imaging sonden er monteret og kan roteres. Billedet på flyet af behandling kan rekonstrueres gennem billedsekvens erhvervet under rotation af sonden. Behandlingsplan kan derfor foretages på de rekonstruerede billeder. For at vurdere den målretning nøjagtighed i brændplanet af sådanne systemer, protokollen af en metode, ved hjælp af en kvæg er muskel og markør-indlejrede phantom beskrevet. I phantom tjene fire solide bolde i hjørnerne af en firkantet harpiks model som reference markører i den rekonstruerede billede. Målet bør være flyttet, så både centrum og midten af den firkantede model kan falde sammen efter deres relative positioner i den rekonstruerede billede. Svin muskel med en tykkelse på ca. 30 mm er placeret over phantom at efterligne strålegang i klinisk indstillinger. Efter ultralydbehandling, behandling flyet i phantom er scannet og grænsen for den tilknyttede læsion er udvundet fra det scannede billede. Målretning nøjagtigheden kan vurderes ved at måle afstanden mellem centrene af mål og læsion, samt tre afledte parametre. Denne metode kan ikke kun evaluere målretning nøjagtigheden af målet bestående af flere centrale steder i stedet for et enkelt omdrejningspunkt spot i en klinisk relevante strålegang USgHIFU gradvis array system, men det kan også bruges i de prækliniske evaluering eller regelmæssig vedligeholdelse af USgHIFU systemer konfigureret med gradvis-array eller selvstændige fokuseret HIFU transducer.
Introduction
Phased array er i stigende grad konstrueret og udstyret i HIFU systemer1,2,3,4,5,6,7. I USgHIFU gradvis array-lagringssystemer, er en amerikansk imaging sonde normalt monteret i den centrale hul af sfæriske HIFU transducer1,2,8. Sonden er drejelig for målretning og billede genopbygning i tre-dimensionelle rum9. Præcis målretning er nødvendige for sikkerheden og effekten af HIFU behandling. Men de fleste undersøgelser til evaluering af målretning nøjagtighed er blevet udført for magnetisk resonans-vejledt HIFU systemer eller USgHIFU systemet konfigureret med en selvstændig fokuseret HIFU transducer10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. Formålet med metoden beskrevet nedenfor er at evaluere de målretning nøjagtighed i brændplanet for USgHIFU phased array systemer.
En kvæg muskel/markør-indlejrede phantom langs de klinisk relevante strålegang bruges i evalueringen af målretning nøjagtigheden af en klinisk USgHIFU gradvis array system. En firkantet model med fire bolde i hjørnerne er fabrikeret og indlejret i kombination med bovin muskel, i den gennemsigtige phantom. En regelmæssig sekskant er valgt som mål baseret på positioner af centre for fire bolde identificeret i den rekonstruerede kr. billede i behandling flyet. Efter HIFU sonications, behandling flyet af phantom er scannet, og grænsen for læsion og holdninger af de fire bolde, kan bestemmes i det scannede billede. Målretning nøjagtigheden kan vurderes ved at måle afstanden mellem centrene af mål og læsion, samt tre afledte parametre.
Metoden er enklere end måling af målretning fejlen ved hjælp af robot bevægelse med en specifik reference objekt11,17,18 og mere klinisk relevante i forhold til metoden baseret på enkelt fokale spot ablation i en homogen phantom10. Denne metode kan bruges i vurderingen af målretning nøjagtigheden af USgHIFU phased array systemer. Det kan også bruges til andre USgHIFU systemer udstyret med selvstændig fokuseret HIFU transducere.
Protocol
Representative Results
Discussion
Robot komponenter har været anvendt for ekstrakorporal USgHIFU systemer. For at evaluere målretning nøjagtigheden af sådanne systemer, reference markører11,12,18, har in vitro-væv17, tumor-efterligne modeller og temperatur-følsomme phantoms været anvendt alene eller i kombination 10,20. Sammenlignet med protokollerne i disse undersøgelser…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde er blevet støttet i en del af den National Natural Science Foundation of China (81402522), Shanghai nøgle teknologi R & D Program (17441907400) fra videnskab og teknologi Kommissionen af Shanghai kommune og Shanghai Jiao Tong University Medikoteknik forskningsfond (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui medicinsk teknologi (Shanghai) Co., Ltd. er også anerkendt for at levere USgHIFU systemet. Forfatterne takke Wenzhen Zhu og Junhui Dong for phantom forberedelse og deres bistand i eksperimenter.
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).
