Vurdere målretting nøyaktighet i fokalplanet for en ultralyd-guidede høy intensitet fokusert ultralyd faset array System
Summary
Denne studien beskriver en protokoll for å evaluere målretting nøyaktigheten i fokalplanet av en ultralyd-guidede høyintensiv fokusert ultralyd faset array system.
Abstract
Faset matriser brukes stadig som høy intensitet fokusert ultralyd (HIFU) transdusere i eksisterende ekstrakorporal ultralyd-guidede HIFU (USgHIFU) systemer. HIFU måleomformerne i slike systemer er vanligvis sfærisk i form med et sentralt hull hvor en amerikansk tenkelig sonde er montert og kan roteres. Bildet på flyet behandling kan rekonstrueres gjennom bildesekvens ervervet under rotasjonen av sonden. Behandlingen planen kan derfor gjøres på rekonstruert bilder. For å vurdere målretting nøyaktigheten i fokalplanet av slike systemer, protokoll for en metode som bruker en storfe er muskler og markør-embedded phantom beskrevet. I phantom tjene fire solid baller i hjørnene av en firkantet harpiks modell som referanse markører i rekonstruert bilde. Målet skal flyttes slik at både sentrum og midten av plassen modellen kan falle sammen i henhold til deres relative posisjoner i rekonstruert bilde. Svin muskler med en tykkelse på ca 30 mm plasseres over phantom å etterligne banen bjelke i klinisk innstillinger. Etter sonication, behandling flyet i phantom er skannet og grensen til den tilknyttede lesjonen er Hentet fra det skannede bildet. Målretting nøyaktigheten kan evalueres ved å måle avstanden mellom av mål og lesjon, samt tre nye parametere. Denne metoden kan bare evaluere målretting nøyaktigheten av målet som består av flere fokal flekker i stedet for en enkelt fokal sted i en klinisk relevante strålen bane USgHIFU faset array systemet, men det også kan brukes i preklinisk evalueringen eller vedlikehold av USgHIFU systemer konfigurert med faset array eller selv-fokuserte HIFU svinger.
Introduction
Faset array er stadig designet og utstyrt i HIFU systemer1,2,3,4,5,6,7. USgHIFU faset array systemer, er en amerikansk tenkelig sonde vanligvis montert i sentrale hullet av sfærisk HIFU svinger1,2,8. Sonden er roterbare målretting og bildet gjenoppbygging i tredimensjonal9. Nøyaktig målretting kreves for sikkerhet og effekt av HIFU behandling. Men er de fleste studiene for vurdering av målretting nøyaktighet utført for magnetisk resonans-guidede HIFU systemer eller USgHIFU systemer konfigurert med en selv-fokuserte HIFU svinger10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. formålet med metoden beskrevet nedenfor er å evaluere målretting nøyaktigheten i fokalplanet for USgHIFU i faset array systemer.
En storfe muskel/markør-embedded phantom langs klinisk relevante strålen banen brukes i evalueringen av målretting nøyaktigheten av en klinisk USgHIFU faset array system. En firkantet modell med fire baller i hjørnene er fabrikkert og innebygd, i kombinasjon med bovin muskler, i gjennomsiktig phantom. En vanlig sekskant velges basert på plasseringen av av fire baller identifisert i rekonstruert amerikanske bildet på behandling plan for målet. Etter HIFU sonications, behandling flyet av phantom er skannet og grensen til lesjonen og plasseringen av fire baller, kan fastslås i det skannede bildet. Målretting nøyaktigheten kan evalueres ved å måle avstanden mellom av mål og lesjon, samt tre nye parametere.
Metoden er enklere enn måling av målretting feil robot bevegelse med en spesiell referanse objektet11,17,18 og mer klinisk relevant i forhold til metoden basert på enkelt fokal spot ablasjon i en homogen phantom10. Denne metoden kan brukes i evalueringen av målretting nøyaktigheten av USgHIFU i faset array systemer. Det kan også brukes til andre USgHIFU-systemer som er utstyrt med selv-fokuserte HIFU transdusere.
Protocol
Representative Results
Discussion
Robotic komponenter har blitt brukt for ekstrakorporal USgHIFU systemer. For å evaluere målretting nøyaktigheten av slike systemer, referanse markører11,12,18, har i vitro vev17, tumor-etterligne modeller og temperatur-sensitive fantomer brukt alene eller i kombinasjon 10,20. Sammenlignet med protokoller i disse studiene, denne metoden er mer …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet har vært støttes delvis av den nasjonale Natural Science Foundation i Kina (81402522), Shanghai nøkkel teknologi R & D Program (17441907400) fra vitenskap og teknologi kommisjonen i Shanghai kommune og Shanghai Jiao Tong University Medisinsk Engineering Research Fund (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui medisinsk teknologi (Shanghai) co, Ltd er også anerkjent for USgHIFU systemet. Forfatterne takker Wenzhen Zhu og Junhui Dong for phantom utarbeidelsen og deres hjelp i forsøkene.
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).
