رصد في الوقت الحقيقي وارتفاع كثافة الموجات فوق الصوتية المركزة (HIFU) تذرية<em&gt; في المختبر</em&gt; الناب الأكباد عن طريق متناسق الحركة التصوير بالموجات فوق الصوتية المركزة ل(HMIFU)

Summary

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.

Abstract

التوافقي الحركة التصوير بالموجات فوق الصوتية المركزة ل(HMIFU) هو الاسلوب الذي يمكن أن تؤدي ومراقبة عالية الكثافة (HIFU) الاجتثاث ركزت الموجات فوق الصوتية. يتم إنشاء حركة متذبذبة في محور 93 عنصر و 4.5 ميغاهيرتز تردد مركز HIFU محول عن طريق تطبيق 25 هرتز، التضمين السعة إشارة باستخدام مولد وظيفة. يتم وضع 64 عنصر و 2.5 ميغاهيرتز محول التصوير مع 68kPa ذروة الضغط confocally في وسط محول HIFU للحصول على الترددات الراديوية (RF) بيانات القناة. في هذا البروتوكول، وصفت رصد في الوقت الحقيقي الاجتثاث الحرارية باستخدام HIFU مع القوة الصوتية من 7 W على كبد الكلاب في المختبر. يتم تطبيق العلاج HIFU على النسيج خلال 2 دقيقة وتصوير المنطقة ذاب في الوقت الحقيقي باستخدام التصوير مباعدة أو موجة الطائرة تصل إلى 1000 لقطة / ثانية. يتم ضرب مصفوفة بيانات القناة RF بواسطة مصفوفة متفرق لإعادة الإعمار الصورة. مجال أعيد النظر هو 90 درجة لمدة متباينة واهاء و 20 مم للتصوير موجة الطائرة ويتم أخذ عينات البيانات في 80 ميغاهرتز. يتم تنفيذ إعادة الإعمار على وحدة المعالجة الرسومية (GPU) من أجل الصورة في الوقت الحقيقي بمعدل 4.5 إطار العرض. ويستخدم 1-D تطبيع عبر الارتباط للبيانات RF أعيد بناؤها لتقدير التشريد المحوري في المنطقة المحورية. حجم النزوح الذروة إلى الذروة في العمق البؤري يتناقص خلال الاجتثاث الحرارية التي تدل على تشنج الأنسجة نتيجة لتشكيل الآفة. وكانت نسبة النزوح إشارة إلى الضوضاء (SNR _د) في منطقة محورية للموجة مستوى أعلى 1.4 مرة من لتباين موجة تبين أن التصوير موجة الطائرة تظهر لإنتاج النزوح أفضل خرائط الجودة لHMIFU من تباين التصوير الموجة.

Introduction

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 ablation^9,10. 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.

Protocol

وقد وافق هذا البروتوكول من قبل لجنة رعاية واستخدام الحيوان المؤسسي من جامعة كولومبيا. تم تنفيذ جميع الحصول على البيانات ومعالجتها باستخدام بيئة ماتلاب.

1. انشاء التجريبية

1. ديغا في الجسم الحي الكلاب عينة الكبد السابقين خلال 90 دقيقة. وضع عينة الكبد في خزان مملوء نزع الغاز الفوسفات الحل (الشكل 1). إصلاح العينة الكبد على امتصاص الصوتية مع الإبر في الأطراف من الكبد.
2. إدراج 64 عنصرا، 0.32 ملم الملعب، 2.5 ميغاهيرتز تردد مركز مجموعة مراحل (التصوير) من خلال ثقب دائري يقع في وسط ل93-عنصر صفيف نصف كروية HIFU محول (العلاجي) في مركز تردد 4.5 ميغاهيرتز، 70 مم العمق البؤري و 1.7 مم × 0.4 مم حجم البؤري ^11. محاذاة كل من محولات شارك في محوريا وإصلاح محول التصوير في محول العلاجي مع مسامير التكيف.
   1. تغطية محول HIFU مع مركباتolume تسيطر عليها غشاء من مادة البولي يوريثين مليئة المياه المتدفقة نزع الغاز لتبريده. تركيب محول التجمع على 3-D مناور الكمبيوتر التي تسيطر عليها.
3. قم بتوصيل محول HIFU إلى مولد وظيفة إرسال 25 هرتز السعة التضمين الموجي شرط مع 500 فولت كحد أقصى السعة. قم بتوصيل محول التصوير لنظام الموجات فوق الصوتية للبرمجة بشكل كامل باستخدام برنامج ماتلاب.
   ملاحظة: هناك برامج المرتبطة بنظام الموجات فوق الصوتية واستخدام بيئة ماتلاب أن تكون مثبتة على جهاز كمبيوتر متصل إلى النظام. يجب أن توضع A 50 ديسيبل مكبر للصوت RF وشبكة المطابقة بين محول HIFU ومولد وظيفة لتضخيم التوالي القوة وتطابق مقاومة.
4. إنشاء شبكة القطبية، وذلك باستخدام ماتلاب، بدءا من 50 مم من سطح مجموعة و 40 مم العميقة في الاتجاه شعاعي مع خطوة المكانية من 9.625 ميكرون و90 درجة في الاتجاه السمتي مع 128 خطوط والتي الأصل هو FOسلطات الجمارك من موجة متباينة. تحديد مصدر متباينة موجة 10.24 مم (نصف حجم الفتحة) وراء السطح من مجموعة، وتركزت في الاتجاه الجانبي.
   1. إنشاء شبكة الديكارتية، وذلك باستخدام ماتلاب، بدءا من 50 مم من سطح مجموعة و 40 مم العميقة في الاتجاه المحوري مع خطوة المكانية من 9.625 ميكرون و 20 ملم واسعة في الاتجاه الجانبي مع 64 خطوط لموجة الطائرة. تحديد مصدر موجة الطائرة على سطح المصفوفة. لكل شبكة، حساب الوقت من المصدر إلى كل نقطة من الشبكة والعودة إلى كل عنصر من عناصر المصفوفة.
5. أدخل "ReconMat_DW" لتباين التصوير موجة أو "ReconMat_PW" للتصوير موجة الطائرة في إطار الأوامر مطلب واضغط على "دخول" لإنشاء مصفوفة إعادة الإعمار المرتبطة خوارزمية تأخير ومبلغ القياسية لكل شبكة. تطبيق خوارزمية تأخير ومحصلتها إلى كل متجه أساس معيار واسترداد elemen غير الأصفارالخبر من الناتج مصفوفة ^11. تخصيص عناصر غير الصفرية التي تم الحصول عليها من المصفوفة الناتجة إلى مصفوفة متفرق في الموقع المقابل. حفظ مصفوفة إعادة الإعمار على القرص الصلب لجهاز الكمبيوتر.
   ملاحظة: المتباينة وأساليب موجة الطائرة استخدام اثنين من مصفوفات إعادة الإعمار متميزة.
   1. يلقي مصفوفة إعادة الإعمار إلى مصفوفة GPU. أدخل "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" لتباين التصوير موجة أو "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" للتصوير موجة الطائرة في إطار الأوامر ماتلاب ثم اضغط على "دخول" لإنشاء ملف الإعداد للحصول على البيانات قناة الموجات فوق الصوتية باستخدام البرنامج النصي المرتبطة مع مجموعة مراحل، وقدمت من قبل الشركة المصنعة من نظام الموجات فوق الصوتية. اسم ملف الإعداد "P4-2Flash_DivergingWave.mat" لتباين التصوير موجة و "P4-2Flash_PlaneWave.mat" للتصوير موجة الطائرة.
      ملاحظة: حزمة البرمجيات التجارية يجب أن تكون مثبتة على جهاز الكمبيوتر رس يلقي إعادة الإعمار المصفوفة المتناثرة لمصفوفة GPU.
6. مزامنة نظام الموجات فوق الصوتية مع مولد وظيفة باستخدام الزناد الخارجي بحيث الحصول على البيانات ارتفاع معدل الإطار الموجات فوق الصوتية للكبد يبدأ في نفس الوقت كما HIFU.
7. فتح ماتلاب. تشغيل البرنامج النصي الإعداد "SetUpP4_2Flash_4B.m" المقدمة من قبل الشركة المصنعة نظام الموجات فوق الصوتية لاستخدام التصوير B-الوضع. اسم ملف الإعداد التي تم إنشاؤها: "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". استخدام "VSX" القيادة وعندما "اسم ملف .mat على العملية:" إن المطالبة، أدخل اسم ملف الإعداد "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". نقل كل محولات الطاقة واستخدام شاشة عرض B-الوضع الذي ظهر على شاشة الكمبيوتر لوضعها في المنطقة المستهدفة من الكبد إلى يجتذ. استهداف المنطقة حوالي 1 سم تحت سطح الكبد لتجنب ارتفاع توهين الموجات فوق الصوتية بسبب الامتصاص. حفظ التقليدية B-وضع صورة للكبد على الكمبيوتر.
   ملاحظة:نحن هنا يقوم ablations HIFU في 11 مواقع مختلفة في عينتين الكبد عن طريق تحريك محولات مع مناور 3-D لكل الاجتثاث.

2. الموجات فوق الصوتية الحصول على البيانات

1. فتح ماتلاب. استخدام "VSX" القيادة وعندما "اسم ملف .mat على العملية:" إن المطالبة، أدخل اسم ملف الإعداد "P4-2Flash_DivergingWave.mat" لتباين التصوير موجة أو "P4-2Flash_PlaneWave.mat" لموجة الطائرة التصوير. بدء HIFU وتطبيقه خلال 2min إلى المنطقة المستهدفة.
2. الحصول على بيانات القناة RF في 1000 لقطة في الثانية خلال 2 دقيقة باستخدام موجات متباينة. بدلا من ذلك، الحصول على بيانات القناة RF في 1000 لقطة في الثانية خلال 2 دقيقة باستخدام موجات الطائرة.
3. نقل البيانات إلى الكمبيوتر المضيف كل 200 لقطة عن طريق كابل صريح PCI. بدلا من ذلك، في الوقت الحقيقي الجري، الحصول على بيانات القناة RF عند 167 لقطة في الثانية خلال 2 دقيقة باستخدام موجات الطائرة وtransfإيه البيانات إلى الكمبيوتر المضيف كل 2 الإطارات.
   ملاحظة: وسائل التصوير مع مجموعة من 200 لقطة يوفر القرار الزماني عالية ضمن مجموعة ولكن خلق كل الفجوات بين كل مجموعة ومناسبة للمعالجة خارج الخط. طريقة التصوير في 167 إطارا في الثانية لديها من القرار الزمني أقل ولكن لا يخلق أي ثغرات في الوقت الاجتثاث بأكمله و المناسب في الوقت الحقيقي الجري.
4. يلقي مصفوفة بيانات القناة RF إلى واحدة مصفوفة الدقة GPU مع مطلب. ضرب مصفوفة بيانات القناة RF بالمصفوفة إعادة الإعمار للحصول على البيانات RF أعيد بناؤها ^11.

3. التشرد التصوير

1. إنشاء 6 أجل ^عشر بتروورث مرشح تمرير منخفض في 4 ميغاهيرتز تردد قطع باستخدام DSP نظام أدوات للمطلب. تطبيق منخفض هذا مرشح تمرير للبيانات RF أعيد بناؤها لتصفية عنصر ميغاهيرتز HIFU 4.5.
2. تقدير انزياح بين إطارات متتالية باستخدام 1-D تطبيع عبر الارتباطمع طول 3.1mm نافذة و 90٪ التداخل.
3. إنشاء 6 أجل ^عشر بتروورث مرشح تمرير منخفض عند 100 هرتز تردد قطع باستخدام DSP نظام أدوات للمطلب. تطبيق منخفض هذا مرشح تمرير للبيانات النزوح الزمنية باستخدام ماتلاب لاسترداد المكون تردد 50 هرتز، متذبذبة.
4. تحديد المنطقة ذات الاهتمام (ROI) كمنطقة محورية في -6 ديسيبل (1.7 X 0.4 مم في الماء) وتقع 70 ملم بعيدا عن سطح محول. استخراج البيانات التشريد في هذا ROI. تقدير تشريد نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR _د) في منطقة الوصل بعد 2 دقيقة من الاجتثاث بأنها النسبة بين يعني التشرد والانحراف المعياري للنزوح في العائد على الاستثمار.
5. استخراج 50 هرتز إشارة النزوح الزمني في التركيز من البيانات تشريد المصفوفة. تحويل الإشارات النزوح الزمنية في التركيز إلى صوت مسموع باستخدام ماتلاب.

النتائج

في الوقت الحقيقي يتدفقون من HMI النزوح خلال HIFU الاجتثاث يمكن الحصول عليها باستخدام مباعدة وطائرة التصوير موجة الشكل 2 هو القبض على الشاشة فيديو يظهر الوقت الحقيقي العرض من قوة الإشعاع الصوتية النزوح الناجم عن استخدام التصوير موجة الطائرة في في المختبر ا...

Discussion

في الوقت الحقيقي رصد الآفات HIFU مهم لضمان السليم والفعال تسليم الآفة. كما الأشكال الآفة، والأنسجة صمود والسعة تلقاء تحت الإثارة النقصان. تطبيق HIFU في المنطقة من نتائج الأنسجة في قوة الإشعاع الصوتية أن يدفع النزوح الأنسجة. التغير النسبي في النزوح هو بديل من التغير النس?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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