Dreidimensionale Ultraschall Nadel Tipp Tracking mit einem Glasfaser-Ultraschall-Empfänger

Zusammenfassung

Präzise und effiziente Visualisierung von invasiven Medizinprodukten ist extrem wichtig in vielen Ultraschall-geführte minimal-invasive Verfahren. Hier ist eine Methode zur Lokalisierung der räumlichen Lage der Nadelspitze im Vergleich zu bildgebenden Ultraschallsonde präsentiert.

Zusammenfassung

Ultraschall wird häufig für leitende minimal-invasive Verfahren verwendet, aber Visualisierung von medizinischen Geräten ist oft schwierig mit dieser bildgebenden Modalität. Wenn die Visualisierung verloren geht, kann das Medizinprodukt Trauma zu kritischen Gewebestrukturen verursachen. Hier ist eine Methode zur Verfolgung der Nadelspitze während Ultraschall bildgebende Verfahren vorgestellt. Diese Methode beinhaltet die Verwendung von Glasfaser-Ultraschall-Empfängern, die innerhalb der Kanüle eine medizinische Nadel Ultraschall Kommunikation mit den externen Ultraschallsonde befestigt ist. Diese benutzerdefinierte Überprüfung umfasst ein zentrales Wandler Array mit Elementen und Seite Element Arrays. Neben herkömmlichen zweidimensionalen (2D) B-Mode-Ultraschall-Bildgebung zur Verfügung gestellt durch die zentrale Anordnung, liefert dreidimensionale (3D) Nadelspitze tracking Seite Arrays. Für B-Mode-Ultraschall-Bildgebung erfolgt eine standard Transmit-receive-Sequenz mit elektronischen Beamforming. Für Ultraschall-Tracking, Golay-codierten Ultraschall-Übertragungen aus den 4 Seite Arrays vom Hydrophon Sensor empfangen werden, und anschließend die empfangenen Signale werden decodiert, die Nadelspitze räumliche Position in Bezug auf die Ultraschall-Bildgebung zu identifizieren Sonde. Als eine vorläufige Bestätigung dieser Methode wurden Einfügungen des Paares Nadel/Hydrophon in klinisch realistische Kontexten durchgeführt. Dieser neuartige Ultraschall-Bildgebung/Tracking Methode ist kompatibel mit aktuellen klinischen Workflow, und freuen Sie sich auf zuverlässige Gerät Tracking während in der Ebene und Out-of-Plane Nadel Einfügungen.

Einleitung

Präzise und effiziente Lokalisierung von invasiven Medizinprodukten wird sehr viele Ultraschall-geführte minimal-invasive Verfahren gewünscht. Diese Verfahren sind in klinischen Kontexten wie regionalen Anästhesie und Interventionelle Schmerztherapie Management¹, Interventionelle Onkologie²und Fetalmedizin³anzutreffen. Visualisierung der Medizinprodukt-Spitze kann mit Ultraschall-Bildgebung herausfordernd sein. Während in der Ebene Einfügungen haben Nadeln oft schlechten Sicht beim Einfügen Winkel steil sind. Darüber hinaus kann während der Out-of-Plane Einfügungen, die Nadel-Welle als die Nadelspitze fehlinterpretiert werden. Wenn die Nadelspitze nicht Ultraschall sichtbar ist, kann es Komplikationen verursachen, durch die Beschädigung kritischer Gewebestrukturen.

Viele Methoden sind verfügbar, medizinische Geräte während der Ultraschall-Bildgebung zu lokalisieren, aber ein zuverlässiges, die kompatibel mit aktuellen klinischen Arbeitsablauf ist sehr erwünscht. Echogenen Oberflächen können verwendet werden, zur Verbesserung der Sichtbarkeit bei steilem Winkel Einfügungen in der Ebene⁴. Elektromagnetische, tracking-Systeme verwendet werden, während der Out-of-Plane Einfügungen, sondern elektromagnetische Störungen können stark beeinträchtigen ihre Genauigkeit. 3D Ultraschall-Bildgebung kann Sichtbarkeit von Medizinprodukten in bestimmten Herz- und fetalen Verfahren verbessern, wenn sie von Flüssigkeiten⁵umgeben sind. Allerdings ist 3D Ultraschall-Bildgebung nicht für Nadelführung, teilweise aufgrund der Komplexität zugeordnete Bildinterpretation verbreitet.

Ultraschall-Tracking ist eine Methode, die großes Potenzial zur Verbesserung der medizinischen Geräts Sichtbarkeit^{6,7,8,9,10,11,12 gezeigt hat ,13,14}. Mit Ultraschall-Tracking hat das Medizinprodukt eine eingebettete Ultraschallsensor oder Sender, die aktiv mit der externen Ultraschall-Bildgebung Sonde kommuniziert. Die Medizinprodukte-Position kann aus der gemessenen Ultraschall Zeit der Flüge zwischen eingebetteten Ultraschall Sensor/Sender und verschiedenen Wandler Elemente der Sonde identifiziert werden. Bisher hat Ultraschall Tracking in der Ebene verfolgen, beschränkt die seiner klinischen Verwendung stark eingeschränkt hat.

Hier eine Demonstration wie 3D Ultraschall Tracking mit einem benutzerdefinierten Ultraschall-Bildgebung Sonde durchgeführt werden kann und eine faseroptische Hydrophon innerhalb der Kanüle eine Nadel befestigt ist (Abbildung 1) zur Verfügung gestellt. Diese benutzerdefinierten Sonde, die wurde von den Autoren entworfen und hergestellt nach außen, umfasst eine zentrale Reihe von Wandler Elementen und vier Seite-Arrays. Die zentrale Array ist für 2D Ultraschall-Bildgebung verwendet; die Seite Arrays Nadel für 3D Tipp tracking im Konzert mit dem Glasfaser-Ultraschall-Empfänger. Es wird gezeigt, wie der Glasfaser-Ultraschall-Empfänger positioniert und innerhalb der kanülennadel angebracht werden kann, wie trackinggenauigkeit des Systems gemessen auf die Tischplatte, und wie klinische Validierung durchgeführt werden kann.

Protokoll

1. System-Hardware

1. Die klinische benutzerdefinierte Ultraschall-Bildgebung Sonde
   1. Erstellen Sie einen Entwurf für das Layout der Wandler Elemente in der benutzerdefinierten Sonde, die Mittel- und Arrays enthält. Reichen Sie das Design an den Hersteller dieser Sonde.
   2. Feedback vom Hersteller erstellen Sie einen detaillierten Entwurf für die benutzerdefinierte Überprüfung, die Verbesserungen an den Wandler Frequenzgang und Geometrien (Abbildung 2) enthält.
      Hinweis: In der Regel kann der Hersteller der benutzerdefinierten Sonde elektronischen Systeme Sondengehäuse entwerfen, und die Sonde Stecker für Kompatibilität für eine bestimmte Art von Ultraschall-imaging-System. Die Hersteller kann auch eine Betriebsartumschaltung (Hardware) um festzustellen, welche Gruppe von 128 Elemente durch die Ultraschall-Bildgebung System gerichtet war. Im imaging-Modus richtet sich das zentrale Array; im Tracking-Modus werden die Seite Arrays angesprochen.
2. Die Tracking-Nadel
   1. Wählen Sie eine Glasfaser-Ultraschall Hydrophon umfasst eine Monomode-Glasfaser mit einem Fabry-Pérot Hohlraum am distalen Ende (Außendurchmesser (OD): 150 µm).
      Hinweis: Hydrophone, die eine Monomode-Glasfaser mit einem Fabry-Pérot Hohlraum am distalen Ende umfassen (OD: 150 µm), sind im Handel erhältlich. Proximalen zum distalen Ende, optischen Fasern, die häufig für die Telekommunikation verwendet werden haben eine Verkleidung Schicht (OD: 125 µm), eine Pufferschicht (OD: 250 µm), und eine Jacke (OD: 900 µm).
   2. Entfernen Sie mit einem Skalpell teilweise 900 Mikrometer Jacke entlang der Länge der Faser faseroptische Hydrophon, nah an ihrem distalen Ende der Pufferschicht aussetzen, bis die Hydrophon innerhalb der kanülennadel passen.
      Hinweis: Für die mechanische Robustheit ist es nützlich, die schützende Puffer/lagenjacke auf dem Abschnitt von der LWL-Kabel zu behalten, die proximalen mit dem Luer-Anschluss ist. Achten Sie darauf, beim Umgang mit empfindlichen Bereich der Faser nach der Jacke entfernt wird, bevor es durch die kanülennadel geschützt ist.
   3. Befestigen Sie die medizinische Nadel horizontal auf eine manuelle horizontale Verschiebetisch, und visualisieren Sie die Nadelspitze mit einem Stereo-Mikroskop mit der optischen Achse des Mikroskops ausgerichtet horizontal und senkrecht auf die Nadel. Falls erforderlich, drehen Sie die Nadel um seine Achse, sodass die schräge Oberfläche der Nadel mit dem Mikroskop gesehen werden kann.
   4. Stecken Sie mit dem distalen Ende der Nadel im Hinblick auf das Mikroskop den Glasfaser-Ultraschall-Empfänger durch die Kanüle eine Tuohy-Borst Sidearm Adapter und anschließend durch den Luer-Anschluss der Nadel bis Fernerkundung der Hydrophon und Umgebung nur ist proximalen an die schräge Oberfläche der Nadel. In diesem Stadium sollte der Pistole Adapter nicht an die Nadel angeschlossen werden. Befestigen Sie das Hydrophon zur Übersetzung Bühne (Polyimid Band funktioniert gut), um seine Bewegung innerhalb der Nadel zu vermeiden.
   5. Befestigen Sie das Hydrophon an der Übersetzung-Bühne mit Polyimid-Klebeband um Bewegung des Gerätes innerhalb der Nadel zu vermeiden.
   6. Affix eine 20 Mikroliter pipette auf die vertikalen Übersetzung-Bühne mit der Spitze nach unten und verwenden beide die horizontalen und vertikalen Übersetzung Stufen um die Mikropipette zu positionieren vertikal kippen, bis die faseroptische Hydrophon und ca. 0,5 mm angrenzt proximal der Fernerkundung Region am distalen Ende.
   7. Geben Sie einen Tropfen des optischen Klebstoff am proximalen Ende der Mikropipette und passen Sie die Nadel um einen direkten Weg von der Mikropipette Spitze an den LWL-Ultraschall-Empfänger ermöglichen.
   8. Verwenden Sie eine 10-mL-Spritze, Druck am proximalen Ende der Mikropipette, den Klebstoff aus der distalen allmählich in den LWL-Ultraschall-Empfänger, kümmert sich um zu vermeiden, Auftragen von Klebstoff auf die Sensorik Region oder verschließen die Kanüle zu verzichten und beleuchten Sie die Nadelspitze mit UV-Licht, bis der optischen Kleber ausgehärtet ist.

2. System-Integration

1. Verbinden Sie das Hydrophon mit seiner optischen Konsole.
   Hinweis: Optische Konsolen, die ein analoge Spannungssignal proportional zu den empfangenen Druck liefern sind im Handel erhältlich.
2. Schließen Sie die benutzerdefinierte Ultraschall-Bildgebung Sonde an die Ultraschall-Konsole.
3. Führen Sie überlappende Übernahmen von B-Mode Ultraschallbilder und codierte Ultraschall-Impulse für die Verfolgung von^10,14. Führen Sie für B-Mode-Ultraschall Bildaufnahme, Impuls-Echo-Sequenzen mit der zentralen Array-Elemente senden-empfangen. Verwenden Sie den Hardware-Schalter zur Kontrolle, ob die Seite Array-Elemente oder die zentrale Arrayelemente zugegriffen werden.
4. Digitalisieren Sie die Hydrophon-Signale und die Timing-Signale nach beginnt die Ultraschall-Übertragungen gleichzeitig mit einer Datenkarte Erwerb (DAQ).
5. Prozess- und Anzeige der Signale aus dem Puls-Echo erfasst empfangen senden--Sequenzen, um B-Mode-Ultraschall-Bilder zu erhalten. Darüber hinaus verarbeiten Sie und zeigen Sie der Hydrophon Signale den Glasfaser-Ultraschall-Empfänger im Vergleich zu den benutzerdefinierten Test zu lokalisieren an. Für den letzteren Vorgang sind die Algorithmen von Xia Et al.beschrieben. ^{12 , 14}
6. Die Nadel Tipp Standorte auf der B-Mode-Ultraschall-Bilder zu überlagern. Um 3D tracking-Informationen auf einer 2D Ultraschall-Bild-Anzeige anzuzeigen, kann die Position der Nadelspitze (seitliche und Tiefe Koordinaten) mit einem Kreuz angezeigt werden; die Out-of-Plane Abstand und die Seite der Bildgebung Flugzeug, mit der Größe und Farbe dieses Kreuzes, beziehungsweise.

(3) prä-klinischen Validierung

1. Wählen Sie die Betriebsart mit dem Schalter auf der bildgebenden Ultraschallsonde.
2. Hinzufügen der benutzerdefinierten bildgebenden Ultraschallsonde Ultraschallgel.
3. Vorbereiten einer fetalen Ultraschall Phantom durch Zugabe von Wasser um Fruchtwasser zu imitieren.
4. Mit der B-Mode-Ultraschall-Bildgebung identifizieren Sie das Fruchtwasser im Phantom als Ziel einsetzen.
   Hinweis: Die Einfügemarke Ziel wird vom Kontext abhängen; Es könnte eine bestimmte Region des Gewebes für Diagnose oder Therapie während einer klinischen Verfahren oder einem bestimmten Ort in einer bildgebenden Phantom, eine Gewebe-Region zu imitieren sind.
5. Stechen Sie die Nadel auf das Ziel einsetzen. Beim einlegen, wechseln zwischen den Betriebsarten (Bildgebung und tracking) kontinuierlich mit dem Schalter auf der benutzerdefinierten Test.

Ergebnisse

Der Tierversuch wurde nach UK Home Office Vorschriften und Leitlinien für den Betrieb von Tieren (wissenschaftliche Verfahren) Act (1986) durchgeführt. Das Schaf war nach UK Home Office-Richtlinien in Bezug auf den Tierschutz untergebracht; die Experimente wurden unter den Home Office Project Lizenz 70/7408 unter dem Titel "Pränatale Therapie mit Stammzellen und Gentransfer" durchgeführt. Ethik-Zulassung für Schafe Experimente lieferte das University College London, Vereinigtes Königreich und Animal Welfare Ethik Fachkollegien der Royal Veterinary College.

Mit Zustimmung der Ethik im Ort wurde eine schwangere Schafe für die präklinische in Vivo Validierung verwendet. Nach Erhalt der intravaginale Progesteron-Zäpfchen für 2 Wochen, waren Mutterschafe Zeit verpaart induzieren Eisprung, wie von David Et al.beschrieben. ³⁴ bei 130 Tage der Schwangerschaft, war eine schwangere Ewe über Nacht mit einer schwangeren Begleiter Ewe verhungert. Die Ewe dann unterzog Vollnarkose intravenös mit Thiopental Natrium 20 mg kg^-1 induziert und hielt mit 2-2,5 % Isofluran in Sauerstoff nach Intubation über einen Ventilator. Korrekte Intubation wurde bestätigt durch das hören auf die Lunge bilateral. Narkose wurde durch Bewertung der Hornhaut Reflex bestätigt. Sauerstoff-Sättigung war kontinuierlich mit einer Sättigung Monitor auf der Zunge oder im Ohr gemessen. Die Ewe wurde auf dem Rücken in Semi-Recundancy und eine nasogastrale wurde verabschiedet, um den Übergang des Mageninhalts erleichtern. Eine augenfällige Schmiermittel wurde an die Augen um sie feucht zu halten ausgeglichen. Nach Abschneiden des Vlieses war der Bauch der EWE doppelt mit einem Desinfektionsmittel Haut geschrubbt. Sterile Kupplung Gel auf den Bauch aufgetragen wurde und Ultraschall-Untersuchung diente das Gestationsalter der Ewe³⁴ bestätigen und fetalen Lüge zu bewerten. Am Ende der Operation das Tier tierschutzgerecht getötet wurde, mit einer Überdosis von Thiopental-Natrium (40 mg kg^-1 intravenös).

Der Arzt (A.L.D.) identifiziert die Nabelschnur als Ziel. Eine Nadel in die Gebärmutterhöhle eingeführt wurde, und die Spitze war entlang einer Flugbahn, die eine Out-of-Plane Abstand von 15 mm und einer Tiefe von 38 mm (Abbildung 3) erreicht verfolgt. Golay Codierung verbessert die SNR, mit einer 7.5-fold Erhöhung im Vergleich zu herkömmlichen bipolaren Erregung (Abb. 3 b). Die 3D nachverfolgten Nadelpositionen Tipp wurden überlagert das 2D Ultraschallbild mit Kreuze mit breiten bezeichnend für die Out-of-Plane Abstand und Farben bezeichnend für die Bildgebung (Schritt 2,6) (Abbildung 3).

Abbildung 1: Systemübersicht. Ultraschall (US) Bildgebung/Tracking Sonde ermöglicht US 2D-Bildgebung und 3D tracking-Nadel. Es wird angetrieben von einem US-Scanner, die Kontrolle über das Tracking bietet Element getrieben. Ein Schalter ermöglicht die elektronische Auswahl der Wandler Elemente zwischen zwei Betriebsarten zu wechseln: mit dem zentralen Array imaging und tracking mit Seite-Arrays. Ein Faser faseroptische Hydrophon (FOH) Ultraschall Empfänger, in das Lumen einer 20G Nadel positioniert erhält Übertragungen aus den Seite-Arrays. T/r: senden/empfangen; LT: Linie Trigger; FT: Frame Trigger; PC: PC; DAQ: Erwerb Datenkarte. Diese Abbildung und Beschriftung sind mit freundlicher Genehmigung von Xia, W. Et Al. reproduziert. ¹⁴. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: Wandler Element Layout der benutzerdefinierten Ultraschall-Bildgebung Sonde. Eine zentrale Array mit 128 Elementen und einer akustischen Linse ermöglicht imaging. Seite-Arrays mit 32 Elementen pro Zeile und 128 Elemente insgesamt ermöglichen 3D Nadel Tracking. Diese Abbildung und Beschriftung sind mit freundlicher Genehmigung von Xia, W. Et Al. reproduziert. ¹⁴. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3: Nadel einsetzen mit 3D-Tracking in Vivo. (A) verfolgte Nadelpositionen Tipp (Kreise: P1-P6) während einer Einfügung in die Gebärmutterhöhle eines Schafes, schwanger erhalten. (B) Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Tracking-Signale (Abbildungsebene: X = 0). (C) Überlagerung von 3 der verfolgten Positionen auf ein US-2D-Bild, das mit dem zentralen Array übernommen wurde. Die End-to-End Länge jedes Kreuz entsprach der Out-of-Plane Abstand; die Farbe (rot/gelb) entsprach der Seite der Abbildungsebene. Anatomische Hauptmerkmale sind mit Konturen (rechts) dargestellt. S: Haut; PF: perkutane Fett; UW: Gebärmutterwand; AF: Fruchtwasser; UC: Nabelschnur; FA: fetalen Abdomen. Diese Abbildung und Beschriftung sind mit freundlicher Genehmigung von Xia, W. Et Al. reproduziert. ¹⁴. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Diskussion

Hier zeigen wir wie 3D Ultraschall Tracking mit einem benutzerdefinierten Ultraschall-Bildgebung Sonde durchgeführt werden kann und eine faseroptische Hydrophon innerhalb einer Nadel integriert. Aus Sicht der klinischen Übersetzung sind mehrere Aspekte der benutzerdefinierte Sonde, die in dieser Studie entwickelten attraktiv. Seine kompakte Größe eignet sich gut für den Einsatz in kleinen Räumen wie der Axilla wo sperrige 3D imaging Sonden manövrieren herausfordernd ist. Eine Einschränkung der Umsetzung der hier vorgestellten 3D Ultraschall Nachführung ist, dass manuelle Umschaltung zwischen imaging und tracking-Modi wechseln mussten. In Zukunft könnte Implementierungen dieser Umstellung direkt durch die Ultraschall-imaging-System erfolgen.

Faseroptische Hydrophon eignet sich gut zur Ultraschall Nadel verfolgen. Sein hohe Maß an Miniaturisierung und Flexibilität ermöglichen die Integration in medizinische Geräte mit kleinen seitlichen Abmessungen. Seine breiten Bandbreite¹⁶ ermöglicht für die Kompatibilität mit verschiedenen klinischen Ultraschallsonden. Darüber hinaus ermöglicht die Omnidirectionality¹⁶ für die Verfolgung von Nadeln, die in einem weiten Winkel eingefügt werden. Schließlich macht es seine Immunität gegen Störungen von EM-Feldern und metallische Gegenstände besser geeignete, um klinische Einstellungen im Gegensatz zum EM-Tracking. Um größere Ultraschall Empfindlichkeit zu erreichen, könnte ein Plano-Concave Fabry-Pérot Hohlraum in den zukünftigen¹⁷verwendet werden. Letztlich konnte Ultraschall Tracking kombiniert mit anderen Modalitäten in eine optische Faser, wie z. B. Reflexion Spektroskopie^{18,19,20,21,22, 23}, Raman-Spektroskopie²⁴, optische Kohärenz Tomographie^25,26und photoakustische Bildgebung^{27,28,29,30 , 31 , 32 , 33}.

Ultraschall-Tracking hat Einschränkungen, die mit Ultraschall-Bildgebung geteilt werden. Erstens werden Gewebe Heterogenitäten Ultraschall Tracking negativ; räumliche Schwankungen in der Geschwindigkeit des Klangs des Gewebes sinkt die trackinggenauigkeit wie durch numerische Simulationen in einer früheren Studie¹⁴gezeigt. Zweite, anatomische Strukturen, die stark reflektierende, Ultraschallwellen, wie knöcherne Strukturen oder Hohlräume, sind wahrscheinlich nicht kompatibel mit Ultraschall Tracking. Studien, die Nadelposition Tipp erhalten mit anderen bildgebenden Verfahren, wie beispielsweise 3D Rotations C-Bogen Röntgentomographie, berechnet könnte in Zukunft verwendet werden, um die Genauigkeit der Ultraschall 3D-Tracking in heterogenen Gewebe in Vivozu bewerten.

Trotz der jüngsten Fortschritte in der Ultraschall-Bildgebung bleiben präzise und effiziente Bearbeitung von medizinischen Geräten unter der Leitung dieser Modalität eine Herausforderung, auch für Praktiker. Aktiver Kommunikation zwischen externen Ultraschallsonden und Medizinprodukte, könnte wie folgt, verfahrenstechnische Sicherheit und Effizienz verbessern. Diese Verbesserungen konnten Annahme der Ultraschall-Bildgebung anstelle von Röntgen-Durchleuchtung in mehreren klinischen Kontexten, wie spinale Einschübe für Interventionelle Schmerztherapie erheblich erleichtern. In dieser Studie entwickelte System ermöglicht 3D Ultraschall Tracking und 2D Ultraschall-Bildgebung mit einem kompakten Ultraschallsonde. Es könnte Ultraschall-geführte minimal-invasive Verfahren verbessern, indem Sie präzise Lokalisierung der Nadelspitze im aktuellen klinischen Arbeitsablauf.

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ultrasound imaging system	BK ultrasound (ultrasonix)	SonixMDP
Custom ultrasound probe	Vermon
Spinal needle	Terumo		20 gauge
Fibre-optic hydrophone	Precision Acoustics
Fibre-optic stripping tool	Thorlabs	FTS4
Stereo microscope	Leica Microsystems	Z16APO
Tuohy-Borst Sidearm adapter	Cook Medical	PTBYC-RA
Pipette	Eppendorf		100 mL
Micropipette tip	Eppendorf		20 µL
Ultraviolet optical adhesive	Norland Products	NOA81
Syringe	Terumo		10 mL
Ultraviolet light source	Norland Products	Opticure 4 Light Gun
Data acquisiton card	National Instruments	USB-5132
Articulated arm	CIVCO	811-002
Thiopental sodium	Novartis Animal Health UK		Thiovet
Isoflurane	Merial Animal Health		Isoflurane-Vet
Ocular lubricant	Allergan, Marlow, UK		Lacri-Lube
Skin lubricant	Adams Healthcare, Garforth, UK		Hibitane 2%