Utvärdera inriktning noggrannhet i fokalplanet för ett ultraljud-guidad högintensiva fokuserat ultraljud fasas-array System
Summary
Denna studie beskriver ett protokoll för att utvärdera den inriktning noggrannheten i fokalplanet ett ultraljud-guidad hög intensitet fokuserat ultraljud fasas-array system.
Abstract
Phased matriser används alltmer som hög intensitet fokuserat ultraljud (HIFU) givare i de befintliga extrakorporeal ultraljud-guidad HIFU (USgHIFU) system. HIFU omvandlarna i sådana system är oftast sfärisk form med ett centralt hål där en US imaging sond är monterad och kan roteras. Bilden på planet behandling kan rekonstrueras genom den bildsekvens som förvärvats under rotationen av sonden. Behandlingsplan kan därför göras på de rekonstruerade bilderna. För att utvärdera den inriktning noggrannheten i fokalplanet system, protokollet av en metod där ett nötkreatur är muskel och markör-embedded phantom beskriven. I Fantomen tjäna fyra fasta bollar i hörnen av en fyrkantig kåda modell som referens markörer i rekonstruerade bilden. Målet bör flyttas så att både dess centrum och centrum av den kvadratiska modellen kan sammanfalla enligt deras relativa lägen i rekonstruerade bilden. Svin muskler med en tjocklek av ca 30 mm placeras ovanför Fantomen att efterlikna strålgång i kliniska inställningar. Efter ultraljudsbehandling, behandling planet i Fantomen skannas och gränsen för associerade lesionen extraheras från den skannade bilden. Inriktning noggrannhet kan utvärderas genom att mäta avståndet mellan centrerar av mål och lesion, samt tre härledda parametrar. Denna metod kan inte bara utvärdera målet som består av flera fokal fläckar i stället för en enda fokal plats i en kliniskt relevant strålgång USgHIFU fasas-array systemets inriktning noggrannhet, men det kan också användas i prekliniska utvärderingen eller regelbundet underhåll av USgHIFU system som konfigurerats med fasas-array eller själv fokuserad HIFU givare.
Introduction
Den phased arrayen är alltmer utformad och utrustad i HIFU system1,2,3,4,5,6,7. I USgHIFU fasas-array system, är en US imaging sond oftast monterad i centrala hålet i den sfäriska HIFU givare1,2,8. Sonden är vridbar för inriktning och bild återuppbyggnad i tredimensionella rymden9. Exakt inriktning krävs för säkerhet och effekt av HIFU behandling. Dock har de flesta studier för utvärdering av inriktning noggrannhet utförts för magnetisk resonans-guidad HIFU system eller USgHIFU system som konfigurerats med en egen fokuserad HIFU givaren10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16. Syftet med den metod som beskrivs nedan är att utvärdera inriktning noggrannhet i fokalplanet för USgHIFU phased array system.
Ett nötkreatur muskel/markör-embedded phantom längs den kliniskt relevanta strålgång används i utvärderingen av en klinisk USgHIFU fasas-array system inriktning noggrannhet. En fyrkantig modell med fyra bollar i hörnen är fabricerade och inbäddade, i kombination med nötkreatur muskel, i transparent Fantomen. En regelbunden sexhörning väljs som mål utifrån ståndpunkterna av centrerar av fyra bollar identifieras i rekonstruerade US bilden på behandling planet. Behandling plan Fantomen genomsöks efter HIFU sonications, och gränsen för lesionen, samt placerar av fyra bollar, kan bestämmas i den skannade bilden. Inriktning noggrannhet kan utvärderas genom att mäta avståndet mellan centrerar av mål och lesion, samt tre härledda parametrar.
Metoden är enklare än mätning av inriktning felet med robotliknande rörelser med en specifik referens objekt11,17,18 och mer kliniskt relevant jämfört med metoden baserat på enda fokala Spot ablation i en homogen phantom10. Denna metod kan användas i utvärderingen av USgHIFU phased array system inriktning noggrannhet. Det kan också användas för andra USgHIFU system utrustade med egen fokuserad HIFU givare.
Protocol
Representative Results
Discussion
Robotic komponenter har använts för extrakorporeal USgHIFU system. För att utvärdera sådana system, referens markörer11,12,18inriktning noggrannhet, har in vitro-vävnad17, tumör-härma modeller och temperaturkänsliga fantomer använts ensamt eller i kombination 10,20. Jämfört med protokollen i dessa studier, denna metod är mer kliniskt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete har stötts i del av den nationella naturvetenskap Foundation i Kina (81402522), Shanghai nyckel teknik R & D Program (17441907400) från vetenskap och teknik kommissionen i Shanghai kommun och Shanghai Jiao Tong University Medicinsk teknik forskningsfond (YG2017QN40, YG2015ZD10). Zhonghui medicinteknik (Shanghai) Co., Ltd. är också erkänt för att ge det USgHIFU systemet. Författarna tackar Wenzhen Zhu och Junhui Dong för phantom preparatet och deras hjälp i experimenten.
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).
