This article describes real-time monitoring of HIFU ablation in canine liver with high frame rate ultrasound imaging using diverging and plane wave imaging. Harmonic Motion Imaging for Focused Ultrasound is used to image the decrease of acoustic radiation force induced displacement in the ablated region.
הרמוני Motion ההדמיה לאולטראסאונד הממוקד (HMIFU) היא טכניקה שיכול לבצע ולפקח בעוצמה גבוהה אולטרסאונד ממוקדת אבלציה (HIFU). תנועת מטוטלת שנוצר במוקד מתמר HIFU תדר מרכזי 93-אלמנט ו -4.5 MHz ידי החלת אות מווסתת משרעת 25 הרץ שימוש במחולל פונקציה. מתמר הדמיה 64 אלמנט ו -2.5 MHz עם לחץ שיא 68kPa ממוקם confocally במרכז מתמר HIFU לרכוש נתוני ערוץ תדר רדיו (RF). בפרוטוקול זה, ניטור של אבלציה תרמית באמצעות HIFU עם כוח אקוסטית של 7 W על כבדים הכלביים במבחנה בזמן אמת מתואר. טיפול HIFU מוחל על הרקמות במהלך 2 דקות ואזור ablated הוא הדמיה בזמן אמת באמצעות הדמיה התבדלות או גל מטוס עד 1,000 מסגרות / שני. המטריצה של נתוני ערוץ RF מוכפל מטריצה דלילה לשחזור תמונה. השדה המשוחזר מבט הוא של 90 מעלות ללסטות wave ו -20 מ"מ להדמיה גל מטוס ונתונים נדגמים ב 80 MHz. השיקום מתבצע על יחידת עיבוד גרפית (GPU) כדי תמונה בזמן אמת במסגרת שיעור 4.5 תצוגה. מתאם בין-1-D המנורמל של נתונים RF המשוחזרים משמש להעריך התקות ציריות באזור המוקד. סדר הגודל של עקירת שיא-לשיא בעומק המוקד יורד במהלך אבלציה התרמית אשר מציינת התקשות של הרקמות עקב היווצרות של נגע. יחס עקירת אות לרעש (SNR ד) באזור המוקד לגל מטוס היה גבוה פי 1.4 ללסטות גל מראה כי הדמיה גל המטוס מופיע לייצר תזוזה טובה יותר מפות איכותיות לHMIFU מאשר לסטות הדמיה גל.
High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) is a technique that generates temperature elevation at the focal region and can be used to ablate cancerous tissue 1. Temperature elevation at the focus causes thermal lesions in the tissue 2. In order to avoid overtreating a region and to reduce treatment duration, it is imperative to reliably monitor the ablation. Magnetic resonance-guided focused ultrasound (MRgFUS) is the main technique used in clinic to guide and monitor HIFU treatment 3. MRI provides high spatial resolution images of the treated region with tissue displacement or thermal dose but has a frame rate of 0.1-1 Hz and is costly. Several ultrasound-based techniques such as B-mode imaging 4, passive acoustic mapping 5, shear wave imaging 6 and acoustic radiation force impulse 7 have been developed to guide and monitor thermal ablation. However, B-mode imaging and passive acoustic mapping do not provide imaging of mechanical properties of the ablated region which is useful to the operator to improve lesion delivery.
Shear wave imaging and acoustic radiation force impulse can both characterize the elasticity of the tissue by measuring acoustic radiation force-induced displacements 7,8. However, in both methods, the HIFU treatment is typically interrupted to monitor the ablation. Our group has developed a technique called Harmonic Motion Imaging for Focus Ultrasound (HMIFU) which can monitor the HIFU treatment with ultrasound without stopping the ablation9,10. Briefly, a HIFU transducer sends an amplitude-modulated wave to the region to ablate while simultaneously generating an oscillatory motion in the focal region. A co-axially aligned ultrasound transducer is used to image this oscillation. The magnitude of the induced motion is related to the stiffness of the tissue.
To ensure proper lesion delivery, the temporal resolution of real-time monitoring is of key interest in ablation guidance. Recently, our group has shown real-time streaming of displacement at a frame rate up to 15 Hz, imaged with diverging waves in a narrow field of view and using a fast image reconstruction method 11. Several beamforming techniques can be used to image the displacements. A large field of view can be obtained with diverging wave imaging by changing the delay profile but the axial direction is not aligned with the HIFU beam on the lateral regions and the wave is attenuated due to geometric spreading in the lateral direction, which can affect the quality of the displacement estimation. In contrast, the lateral field of view for plane wave is upper bounded by the active aperture but the axial direction is aligned with the HIFU beam at the focus and there is no geometric spreading in the lateral direction. Depending on the type of application, one or the other imaging method can be selected. The objectives of this protocol are to show how plane wave imaging can provide real-time streaming of displacements images using HMIFU during ablation and to compare the quality of the motion estimation between diverging and plane wave imaging.
ניטור של נגעי HIFU בזמן אמת הוא חשוב כדי להבטיח אספקת נגע תקינה ויעילה. כצורות נגע, הרקמה מתקשחת ומשרעת תנועתו תחת עירור יורד. החלת HIFU באזור של רקמת התוצאות בכוח קרינה אקוסטית שגורם עקירת רקמה. השינוי היחסי בעקירה הוא פונדקאית של שינוי היחסי ברקמות נוקשות. טכניקה זו מצי?…
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the National Institutes of Health (R01-EB014496). The authors would like to thank Iason Apostolakis for his contribution to the experiments.
P4-2 Phased array | ATL | ||
H-178 HIFU transducer | Sonic Concepts | ||
3-D positioner | Velmex Inc. | ||
AT33522A function generator | Agilent Technologies | ||
V-1 ultrasound system | Verasonics | ||
3100L RF amplifier | ENI | ||
Matching network | Sonic Concepts | ||
Degasing system | Sonic Concepts | ||
Programming software | Matlab | ||
Jacket software package | Accelereyes |