Echtzeit-Überwachung von hochintensiven fokussierten Ultraschall (HIFU) Ablation<em&gt; In-vitro-</em&gt; Canine Livers Verwendung harmonische Bewegung Imaging für fokussierten Ultraschall (HMIFU)

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

Harmonic Motion-Imaging für fokussierten Ultraschall (HMIFU) ist eine Technik, durchzuführen und zu überwachen hochintensiven fokussierten Ultraschall (HIFU) Ablation kann. Eine oszillierende Bewegung an dem Mittelpunkt einer 93-Element und 4,5 MHz Mittelfrequenz HIFU Wandlers durch Anlegen einer 25 Hz amplitudenmodulierten Signals über einen Funktionsgenerator erzeugt wird. Ein 64-Element und 2,5 MHz Bildwandler mit 68kPa Spitzendruck konfokal in der Mitte des HIFU Wandler an die Hochfrequenz (HF) Kanaldaten erwerben wird. In diesem Protokoll wird die Echtzeitüberwachung der thermischen Ablation mit HIFU mit einer akustischen Leistung von 7 W auf Hunde- Leber in vitro beschrieben. HIFU-Behandlung basiert auf dem Gewebe während 2 min aufgetragen und die abgetragenen Bereichs wird in Echtzeit unter Verwendung von divergierenden oder ebene Welle Bildgebung bis zu 1.000 Bilder / Sekunde abgebildet. Die Matrix der HF-Kanaldaten durch eine Dünnmatrix für die Bildrekonstruktion multipliziert. Das rekonstruierte Sichtfeld von 90 ° zum Ablenken waVE und 20 mm für die ebene Welle Bildgebung und die Daten bei 80 MHz abgetastet. Die Rekonstruktion basiert auf einer Graphical Processing Unit (GPU), um Bild in Echtzeit an einem 4,5-Anzeige Bildrate durchgeführt. 1-D normierte Kreuzkorrelation der rekonstruierten HF-Daten können verwendet werden, um axiale Verschiebungen im Fokusbereich zu schätzen. Der Betrag des Spitzen-zu-Spitzen-Verschiebung am Fokustiefe bei der thermischen Ablation die Versteifung des Gewebes aufgrund der Bildung einer Läsion zeigt abnimmt. Die Verschiebung Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR _d) im Schwerpunktbereich für die ebene Welle war 1,4-mal höher als bei divergierenden Wellen zeigen, dass die ebene Welle Bildgebung scheint besser Displacement-Maps Qualität für HMIFU als divergierende Wellen Bildgebung in der Herstellung.

Einleitung

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.

Protokoll

Dieses Protokoll wurde von der Institutional Animal Care und Verwenden Ausschuss der Columbia University zugelassen. All die Datenerfassung und -verarbeitung wurden unter Verwendung der Matlab Umgebung.

1. Versuchsaufbau

1. Entgasen eine ex vivo Eckzahn Leberprobe während 90 min. Gab Leberprobe in einem Behälter mit entgaster Phosphat-gepufferter Lösung (1) gefüllt. Befestigen Sie die Leberprobe auf einem akustischen Absorber mit Nadeln an den Enden der Leber.
2. Legen Sie eine 64-Element, 0,32 mm Pitch, 2,5 MHz Mittenfrequenz Phased-Array (Imaging) durch eine kreisförmige Öffnung in der Mitte eines 93-Element-Halbkugel Array HIFU-Wandler (therapeutischen) bei 4,5 MHz Mittenfrequenz, 70 mm Brennweite und befindet 1,7 mm x 0,4 mm Brenn ^Größe 11. Richten Sie beide Wandler koaxial und befestigen Sie die Bildwandler in die therapeutische Wandler mit Stellschrauben.
   1. Decken Sie die HIFU-Wandler mit avolume gesteuerten Polyurethan-Membran mit fließenden entgastes Wasser, um es abzukühlen gefüllt. Montieren Sie den Schwinger auf einem computergesteuerten 3-D Stellungsregler.
3. Schließen Sie das HIFU Wandler an einen Funktionsgenerator Senden einer 25 Hz amplitudenmodulierte Sinuswellenform mit 500 mV maximale Amplitude. Schließen Sie den Bildwandler mit einem voll programmierbaren Ultraschallsystem mit der Software Matlab.
   ANMERKUNG: Eine Software mit dem Ultraschallsystem zugeordneten und mit dem MATLAB-Umgebung besitzt, um den Computer mit dem System verbunden installiert werden. Ein 50 dB HF-Verstärker und ein Anpassungsnetzwerk sollte zwischen dem HIFU-Wandler und dem Funktionsgenerator zu verstärken jeweils die Kraft und die Impedanz platziert werden.
4. Erstellen einer polaren Raster, Matlab, beginnend 50 mm von der Oberfläche der Matrix und 40 mm Höhe in der radialen Richtung mit einer räumlichen Schritt des 9,625 & mgr; m und von 90 ° in azimutaler Richtung mit 128 Zeilen und dem der Ursprung der focus des divergierenden Welle. Definition der Quelle des divergierenden Wellen 10,24 mm (die Hälfte der Größe der Öffnung) hinter der Oberfläche der Anordnung und in der Querrichtung zentriert ist.
   1. Schaffen ein kartesisches Gitter, Matlab, beginnend 50 mm von der Oberfläche des Arrays und 40 mm tief in der axialen Richtung mit einer räumlichen Schritt des 9,625 & mgr; m und 20 mm Breite in der seitlichen Richtung mit 64 Zeilen für die ebene Welle. Definition der Quelle der ebenen Welle auf der Oberfläche des Arrays. Für jedes Raster, berechnen die Zeit von der Quelle zu jedem Punkt des Gitters und zurück zu jedem Element des Arrays.
5. Geben Sie "ReconMat_DW" für divergierende Wellen Bildgebung oder "ReconMat_PW" für die ebene Welle Bildgebung in der Matlab-Befehlsfenster, und drücken Sie "Enter", um eine Rekonstruktionsmatrix mit einem Standard-Verzögerungs- und Summenalgorithmus für jeden Gitter zugeordnet erstellen. Gelten die Verzögerungs- und Summenalgorithmus, um jeden Vektor der Standardbasis und Abrufen der Nicht-Nullen Elements der resultierenden Matrix ^11. Zuweisung der aus der resultierenden Matrix zu der schwachbesetzten Matrix an der entsprechenden Position erhalten Nicht-Null-Elemente. Speichern Sie die Rekonstruktionsmatrix auf der Computer-Festplatte.
   Hinweis: Die divergierenden und die ebene Welle Methoden verwenden zwei verschiedene Rekonstruktions Matrizen.
   1. Werft das Rekonstruktionsmatrix auf eine GPU-Matrix. Geben Sie "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" für divergierende Wellen Bildgebung oder "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" für die ebene Welle Bildgebung in der Matlab-Befehlsfenster, und drücken Sie "Enter", um eine Setup-Datei für die Ultraschall-Kanal-Datenerfassung mit dem Skript mit der Phased-Array verbunden sind und vom Hersteller zur Verfügung zu erstellen des Ultraschallsystems. Benennen Sie die Setup-Datei "P4-2Flash_DivergingWave.mat" für divergierende Wellen Bildgebung und "P4-2Flash_PlaneWave.mat" für die ebene Welle Bildgebung.
      Hinweis: Ein kommerzielles Software-Paket muss auf dem Computer installiert sein to warf den Wiederaufbau Sparse Matrix auf eine GPU-Matrix.
6. Synchronisieren des Ultraschallsystems mit der Funktionsgenerator mit einem externen Trigger so dass eine hohe Bildrate Ultraschalldatenerfassung der Leber beginnt gleichzeitig als HIFU.
7. Öffnen Sie Matlab. Führen Sie das Setup-Script "SetUpP4_2Flash_4B.m" durch das Ultraschallsystem-Hersteller, um B-Modus-Bildgebung zu verwenden ist. Benennen Sie die Setup-Datei erstellt: "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Verwenden Sie die "VSX" Befehl und als "Name der Datei, um .mat Prozess:" wird aufgefordert werden, geben Sie den Namen der Setup-Datei "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Schieben Sie beide Wandler und verwenden Sie das B-Modus-Anzeige, die auf dem Bildschirm erschienen, um sie in der Zielregion der Leber zur Ablation zu positionieren. Ziel einer Region etwa 1 cm unter der Oberfläche der Leber zu hohen Ultraschalldämpfung durch Absorption zu vermeiden. Speichern einer herkömmlichen B-Mode-Bild der Leber auf dem Computer.
   Hinweis:Hier führten wir HIFU Ablation bei 11 verschiedenen Orten in zwei Leberproben durch Bewegen der Wandler mit dem 3-D Stellungsregler für jede Ablation.

2. Ultraschall-Datenerfassung

1. Öffnen Sie Matlab. Verwenden Sie den Befehl "VSX" und als "Name der Datei, um .mat Prozess:" wird aufgefordert werden, geben Sie den Namen der Setup-Datei "P4-2Flash_DivergingWave.mat" für divergierende Wellen Bildgebung oder "P4-2Flash_PlaneWave.mat" für die ebene Welle Imaging. Starten Sie die HIFU und wenden es in 2min zu der Zielregion.
2. Erwerben Sie die HF-Kanaldaten mit 1.000 Bildern pro Sekunde während 2 min mit divergierenden Wellen. Alternativ erwerben die HF-Kanaldaten mit 1.000 Bildern pro Sekunde während 2 min unter Verwendung von ebenen Wellen.
3. Übertragen Sie die Daten an einen Host-Computer alle 200 Frames über eine PCI-Express-Kabel. Alternativ für die Echtzeit-Streaming, erwerben die RF-Kanaldaten bei 167 Bildern pro Sekunde während 2 min unter Verwendung von ebenen Wellen und transfer die Daten an einen Hostcomputer alle 2 Frames.
   Hinweis: Die bildgebenden Verfahren mit einem Satz von 200 Bildern bietet hohen zeitlichen Auflösung innerhalb jedes Satzes, sondern schaffen Lücken zwischen jedem Satz und für Offline-Verarbeitung geeignet ist. Abbildungsverfahren bei 167 fps eine niedrigere zeitliche Auflösung aber keine Lücken über die gesamte Ablation Zeit zu schaffen und für die Echtzeit-Streaming geeignet ist.
4. Wandeln Sie das HF-Kanaldatenmatrix in eine einfache Genauigkeit GPU-Matrix mit Matlab. Multiplizieren Sie die HF-Kanaldatenmatrix durch die Rekonstruktionsmatrix, um die rekonstruierten HF-Daten ¹¹ zu erhalten.

3. Displacement Imaging

1. Erstellen Sie eine ^6. Ordnung Butterworth-Tiefpassfilter bei 4 MHz Grenzfrequenz unter Verwendung des DSP System Toolbox von Matlab. Wenden Sie dieses Tiefpassfilter, um den rekonstruierten HF-Daten herausfiltern, die 4,5 MHz HIFU-Komponente.
2. Schätzen Sie die axiale Verschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Frames unter Verwendung von 1-D normalisierten Kreuzkorrelationmit einem 3,1 mm-Fensterlänge und 90% überlappen.
3. Erstellen Sie eine ^6. Ordnung Butterworth-Tiefpassfilter bei 100 Hz Grenzfrequenz unter Verwendung des DSP System Toolbox von Matlab. Wenden Sie dieses Tiefpassfilter auf die zeitliche Verschiebung von Daten mit Matlab, um die 50 Hz-Schwingungsfrequenzkomponente abzurufen.
4. Definieren Sie eine Region of Interest (ROI) als Mittelpunkt, auf -6 dB (1,7 x 0,4 mm in Wasser) und befindet sich 70 mm von der Wandleroberfläche. Extrahieren Sie die Verschiebungsdaten in dieser ROI. Schätzung der Verschiebung Signal-Rausch-Verhältnis (SNR _d) an dem Fokalbereich nach 2 min der Ablation als das Verhältnis zwischen der mittleren Verschiebung und der Standardabweichung der Verschiebung in der ROI.
5. Entpacken Sie die 50 Hz zeitliche Verschiebungssignal in den Fokus von den Verschiebungsmatrixdaten. Konvertieren Sie die zeitliche Verschiebung Signal im Fokus in hörbare Schall mit Matlab.

Ergebnisse

Echtzeit-Streaming von HMI-Verschiebung während HIFU-Ablation kann mit divergierenden und ebenen Welle Bildgebung gewonnen werden. 2 ist ein Video-Screen-Capture, die Echtzeit-Anzeige der Schallstrahlungskraft induzierte Verschiebung mit ebenen Welle Bildgebung in der In-vitro-Hundelebern während HIFU-Ablation . Die Verschiebungen in Echtzeit auf dem Computerbildschirm in einer Anzeigebildrate von 4,5 Hz übertragen. Positive Verschiebungen sind rot und negative Verschiebungen in blau dargest...

Diskussion

Echtzeit-Überwachung von HIFU Läsionen ist wichtig, die richtige und effiziente Läsion Lieferung. Da die Läsion Formen, versteift sich das Gewebe und dessen Bewegungsamplitude unter Anregung ab. Aufbringen HIFU in einem Bereich des Gewebes führt zu einer Schallstrahlungskraft, die Gewebeverschiebung induziert. Die relative Änderung der Verschiebung ein Surrogat relative Änderung der Gewebesteifigkeit. Diese Technik bietet den Vorteil der Überwachung HIFU Läsion ohne Anhalten der Behandlung im Gegensatz zu ander...

Materialien

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