Monitoreo en tiempo real de Ultrasonido de alta intensidad (HIFU) Ablación de<em&gt; In Vitro</em&gt; Canine hígados Uso Movimiento armónico Imaging para Ultrasonido Focalizado (HMIFU)

Resumen

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.

Resumen

Movimiento armónico Imaging para Ultrasonido Focalizado (HMIFU) es una técnica que puede realizar y supervisar ultrasonido focalizado de alta intensidad (HIFU) ablación. Un movimiento oscilatorio se genera en el foco de un transductor de HIFU frecuencia central 93-elemento y 4,5 MHz mediante la aplicación de una señal modulada en amplitud 25 Hz utilizando un generador de funciones. Un transductor de formación de imágenes 64-elemento y 2,5 MHz con pico de presión 68kPa se coloca confocal en el centro del transductor HIFU para adquirir los datos del canal de radiofrecuencia (RF). En este protocolo, se describe la monitorización en tiempo real de la ablación térmica mediante HIFU con una potencia acústica de 7 W en hígados caninos in vitro. El tratamiento con HIFU se aplica sobre el tejido durante 2 min y la región de ablación se forma la imagen en tiempo real utilizando imágenes divergentes o onda plana hasta 1000 fotogramas / segundo. La matriz de datos del canal de RF se multiplica por una matriz escasa para la reconstrucción de la imagen. El campo reconstruida de vista es de 90 ° para divergente wacinco y 20 mm para formación de imágenes de onda plana y los datos se muestrean a 80 MHz. La reconstrucción se realiza en una unidad de procesamiento gráfico (GPU) con el fin de imagen en tiempo real a una velocidad 4,5 pantalla. 1-D correlación cruzada normalizada de los datos RF reconstruido se utiliza para estimar desplazamientos axiales en la región focal. La magnitud del desplazamiento de pico a pico en la profundidad focal disminuye durante la ablación térmica que denota rigidez del tejido debido a la formación de una lesión. La relación de desplazamiento de señal a ruido (SNR _d) en la esfera de actividad de onda plana era 1,4 veces mayor que para divergentes de onda que muestra que las imágenes de onda plana parece producir un mejor desplazamiento de los mapas de calidad para HMIFU que diverge de imágenes de onda.

Introducción

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.

Protocolo

Este protocolo fue aprobado por el Comité de Cuidado y Uso de Animales Institucional de la Universidad de Columbia. Toda la adquisición y procesamiento de datos se realizaron con el entorno Matlab.

1. experimental

1. Desgasificar un vivo canina muestra ex hígado durante 90 min. Coloque la muestra de hígado en un tanque lleno de desgasificado Phosphate Buffered Solution (Figura 1). Fijar la muestra de hígado en un absorbente acústico con agujas en las extremidades del hígado.
2. Inserte un 64 elemento, 0,32 mm de paso, 2,5 MHz frecuencia central phased array (imágenes) a través de un agujero circular situado en el centro de una matriz hemisférica transductor 93 elementos HIFU (terapéutico) en 4.5 MHz frecuencia central, 70 mm profundidad focal y 1,7 mm x 0,4 mm de tamaño focal ^11. Alinear los dos transductores de forma coaxial y fijar el transductor de formación de imágenes en el transductor terapéutico con los tornillos de ajuste.
   1. Cubra el transductor HIFU con avolumen controlado membrana de poliuretano lleno de agua que fluye desgasificado para enfriarlo. Montar el conjunto de transductor en un posicionador 3-D controlado por ordenador.
3. Conectar el transductor HIFU a un generador de función de envío de un 25 Hz de amplitud modulada forma de onda sinusoidal con 500 mV de amplitud máxima. Conecte el transductor de formación de imágenes a un sistema de ultrasonido totalmente programable mediante el software Matlab.
   Nota: Un software asociado con el sistema de ultrasonido y utilizando el entorno de Matlab tiene que ser instalado en el ordenador conectado al sistema. Un amplificador de RF 50 dB y una red de adaptación deben ser colocados entre el transductor HIFU y el generador de funciones para amplificar respectivamente la potencia y adaptar la impedancia.
4. Crear una cuadrícula polar, usando Matlab, a partir de 50 mm desde la superficie de la matriz y 40 mm de profundidad en la dirección radial con un paso espacial de 9.625 micras y de 90 ° en la dirección azimutal con 128 líneas y cuyo origen es la focus de la onda divergente. Definir la fuente de la onda divergente 10,24 mm (la mitad del tamaño de la abertura) detrás de la superficie de la matriz y centrada en la dirección lateral.
   1. Crear una cuadrícula cartesiana, el uso de Matlab, a partir de 50 mm desde la superficie de la matriz y 40 mm de profundidad en la dirección axial con un paso espacial de 9.625 micras y 20 mm de ancho en la dirección lateral con 64 líneas para la onda plana. Definir la fuente de la onda plana en la superficie de la matriz. Para cada cuadrícula, calcular el tiempo de la fuente a cada punto de la cuadrícula y de vuelta a cada elemento de la matriz.
5. Enter "ReconMat_DW" para que diverge de imágenes de onda o "ReconMat_PW" para obtener imágenes de onda plana en la ventana de comandos del Matlab y pulse "Enter" para crear una matriz de reconstrucción asociado con un algoritmo de retardo y de suma estándar para cada cuadrícula. Aplicar el algoritmo de retardo y de suma para cada vector de la base estándar y recuperar los elemen no cerosct de la matriz resultante ^11. Asignar los elementos distintos de cero obtenidos a partir de la matriz resultante a la matriz dispersa en la ubicación correspondiente. Guardar la matriz de reconstrucción en el disco duro del ordenador.
   Nota: El divergentes y los métodos de onda plana utilizan dos matrices de reconstrucción distintas.
   1. Reparto de la matriz de la reconstrucción de una matriz GPU. Enter "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" para que diverge de imágenes de onda o "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" para obtener imágenes de onda plana en la ventana de comandos del Matlab y presionar "Enter" para crear un archivo de configuración para la adquisición de datos del canal de ultrasonido con el script asociado con la matriz gradual y proporcionado por el fabricante del sistema de ultrasonido. Nombre del archivo de configuración "P4-2Flash_DivergingWave.mat" para que diverge de imágenes de onda y "P4-2Flash_PlaneWave.mat" para obtener imágenes de onda plana.
      Nota: Un paquete de software comercial tiene que ser instalado en el equipo to tire la matriz dispersa la reconstrucción de una matriz GPU.
6. Sincronizar el sistema de ultrasonido con el generador de función usando un disparador externo de manera que la adquisición de datos de ultrasonido alta velocidad de cuadro del hígado se inicia en el mismo tiempo que HIFU.
7. Abra Matlab. Ejecute el script de configuración "SetUpP4_2Flash_4B.m" proporcionado por el fabricante del sistema de ultrasonido para utilizar la imagen en modo B. Nombre del archivo de configuración creado: "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Utilice el comando "VSX" y cuando "Nombre del archivo .mat al proceso:" se le solicita, introduzca el nombre del archivo de instalación "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Mueva ambos transductores y utilizar la pantalla en modo B que apareció en la pantalla del ordenador para posicionarlos en la región específica del hígado para la ablación. Objetivo a una región de aproximadamente 1 cm bajo la superficie del hígado para evitar una alta atenuación de ultrasonido debido a la absorción. Guardar una imagen en modo B convencional del hígado en el equipo.
   Nota:Aquí hemos realizado ablaciones HIFU en 11 ubicaciones diferentes en dos muestras de hígado moviendo los transductores con el posicionador 3-D para cada ablación.

2. Ultrasonido Adquisición de Datos

1. Abra Matlab. Utilice el comando "VSX" y cuando "Nombre del archivo .mat al proceso:" se le solicite, introduzca el nombre del archivo de instalación "P4-2Flash_DivergingWave.mat" para que diverge de imágenes de onda o "P4-2Flash_PlaneWave.mat" de onda plana formación de imágenes. Inicie el HIFU y aplicarlo durante 2 minutos a la región de destino.
2. Adquirir los datos del canal de RF en 1.000 fotogramas por segundo durante 2 min usando ondas divergentes. Por otra parte, adquirir los datos del canal de RF en 1.000 fotogramas por segundo durante 2 min usando ondas planas.
3. La transferencia de los datos a un ordenador central cada 200 marcos a través de un cable PCI Express. Alternativamente, para la transmisión en tiempo real, adquirir los datos del canal de RF a 167 fotogramas por segundo durante 2 min utilizando ondas planas y transfer los datos a un ordenador central cada 2 marcos.
   Nota: Los métodos de imagen con el conjunto de los 200 marcos proporciona alta resolución temporal dentro de cada conjunto, sino crear espacios entre cada conjunto y es apropiado para el procesamiento fuera de línea. El método de imagen a 167 fps con una resolución temporal inferior, pero no crea brechas a través de todo el tiempo de ablación y es apropiado para la transmisión en tiempo real.
4. Reparto de la matriz de datos de canal de RF para una sola matriz GPU precisión con Matlab. Multiplicar la matriz de datos de canal de RF por la matriz de reconstrucción para obtener los datos de RF ¹¹ reconstruidas.

3. Desplazamiento de imagen

1. Crear un filtro de paso bajo Butterworth ^6º orden en 4 MHz frecuencia de corte utilizando el sistema DSP Toolbox de Matlab. Aplicar este filtro de paso bajo a los datos de RF reconstruidas para filtrar el componente de 4,5 MHz HIFU.
2. Estimar el desplazamiento axial entre cuadros consecutivos usando 1-D correlación cruzada normalizadacon una longitud de 3,1 mm-ventana y 90% de superposición.
3. Crear un filtro de paso bajo Butterworth ^6º fin a 100 Hz frecuencia de corte utilizando el sistema DSP Toolbox de Matlab. Aplicar este filtro de paso bajo para los datos de desplazamiento temporal usando Matlab para recuperar el componente de frecuencia 50 Hz-oscilatorio.
4. Definir una región de interés (ROI) como la región focal en -6 dB (1,7 x 0,4 mm en agua) y situada a 70 mm de distancia de la superficie del transductor. Extraer los datos de desplazamiento en este retorno de la inversión. Estimar la relación de desplazamiento de señal a ruido (SNR _d) en la región focal después de 2 min de la ablación como la relación entre el desplazamiento medio y la desviación estándar del desplazamiento en la ROI.
5. Se extrae la señal de desplazamiento temporal de 50 Hz en el foco de los datos de la matriz de desplazamiento. Convertir la señal de desplazamiento temporal en el foco en sonido audible usando Matlab.

Resultados

En streaming en tiempo real de desplazamiento HMI durante la ablación HIFU se puede obtener utilizando imágenes de onda divergentes y avión. Figura 2 es una captura de pantalla de vídeo que muestra visualización en tiempo real de la fuerza de radiación acústica desplazamiento inducido por el uso de imágenes de onda plana en in vitro caninos hígados durante la ablación HIFU . Los desplazamientos se transmiten en tiempo real en la pantalla del ordenador a una velocidad marco de la panta...

Discusión

Monitoreo en tiempo real de las lesiones HIFU es importante para asegurar la entrega adecuada y eficiente de la lesión. Como las formas de lesión, el tejido se pone rígido y su amplitud de movimiento bajo excitación disminuye. La aplicación de HIFU en una región de los resultados de tejido en una fuerza de radiación acústica que induce el desplazamiento del tejido. El cambio relativo en el desplazamiento es un sustituto de cambio relativo en la rigidez del tejido. Esta técnica ofrece la ventaja de seguimiento d...

Materiales

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