Evaluación dirigida a exactitud en el plano Focal de una guiada por ultrasonido alta intensidad enfocada ultrasonido Phased-array sistema

Resumen

Este estudio describe un protocolo para evaluar la precisión de objetivo en el plano focal de un sistema de matriz por etapas guiada por ecografía de ultrasonido focalizado de alta intensidad.

Resumen

Phased arrays se usan cada vez más como transductores de ultrasonidos focalizados de alta intensidad (HIFU) en los sistemas existentes de extracorpórea guiada por ultrasonido HIFU (USgHIFU). Los transductores HIFU en tales sistemas son generalmente esféricos en forma con un agujero central donde una punta de prueba de proyección de imagen de Estados Unidos está montado y puede girarse. La imagen en el plano de tratamiento puede ser reconstruida a través de la secuencia de imágenes adquirida durante la rotación de la sonda. Por lo tanto, el plan de tratamiento se puede hacer en las imágenes reconstruidas. Para evaluar la precisión de objetivo en el plano focal de tales sistemas, el protocolo de un método usando un bovino músculo y marcador incrustado fantasma se describe. En el fantasma, cuatro bolas sólidas en las esquinas de un modelo de cuadrado resina sirven como los marcadores de referencia en la imagen reconstruida. El objetivo debe ser trasladado para que su centro y el centro del cuadrado modelo pueden coincidir según su posición relativa en la imagen reconstruida. Músculo de cerdos con un espesor de unos 30 mm se coloca por encima el fantasma para mímico la trayectoria de viga en ajustes clínicos. Después de la sonicación, se explora el plano de tratamiento en el fantasma y el límite de la lesión asociada es extraído de la imagen escaneada. La exactitud de selección puede evaluarse midiendo la distancia entre los centros de destino y la lesión, así como tres parámetros derivados. Este método no sólo evaluar la exactitud objetivo del objetivo que consiste en puntos focales múltiples en lugar de un solo punto focal en un camino de viga clínicamente relevantes del sistema de matriz por etapas de USgHIFU, pero puede también ser utilizado en la evaluación preclínica o mantenimiento de sistemas USgHIFU configurado con transductor HIFU de matriz por etapas o auto centrado.

Introducción

El arsenal cada vez más está diseñado y equipado en HIFU sistemas^{1,2,3,4,5,6,7}. En sistemas de matriz por etapas de USgHIFU, una sonda de los Estados Unidos generalmente se monta en el agujero central del esférico HIFU transductor^1,2,8. La sonda es rotativa para la reconstrucción de imagen y orientación en el espacio tridimensional⁹. Segmentación precisa es necesaria para la seguridad y eficacia del tratamiento con HIFU. Sin embargo, la mayoría de los estudios para la evaluación de apuntar exactitud se han realizado para sistemas HIFU guiado por resonancia magnética o USgHIFU sistemas configurados con uno focalizado HIFU transductor^{10,11, 12 , 13 , 14 , 15 , 16}. el propósito del método descrito a continuación es evaluar la exactitud de selección en el plano focal para los sistemas de ultrasonido phased array de USgHIFU.

Un fantasma de músculo/marcador-embedded bovino a lo largo de la trayectoria de viga clínicamente relevantes se utiliza en la evaluación de la precisión objetivo de un sistema de matriz por etapas de USgHIFU clínico. Un modelo de cuadrado con cuatro bolas en las esquinas es fabricado y encajado, en combinación con músculo bovino, en el fantasma transparente. Un hexágono regular se selecciona como destino basado en las posiciones de los centros de cuatro bolas en la imagen reconstruida de Estados Unidos en el plano de tratamiento. Después de sonications HIFU, se explora el plano de tratamiento del fantasma, y en la imagen digitalizada se pueden determinar el límite de la lesión, así como las posiciones de las cuatro bolas. La exactitud de selección puede evaluarse midiendo la distancia entre los centros de destino y la lesión, así como tres parámetros derivados.

El método es más simple que la medición del error objetivo usando el movimiento robótico con una referencia específica objeto^11,17,18 y más clínicamente relevantes en comparación con el método basan en solo focal ablación del spot en un fantasma homogénea¹⁰. Este método puede utilizarse en la evaluación de la precisión objetivo de phased array sistemas de USgHIFU. Puede utilizarse también para otros sistemas de USgHIFU equipados con transductores HIFU auto centrados.

Protocolo

1. marcador diseño y fabricación

1. Diseño de un modelo de cuadrado usando software de diseño asistido por ordenador. Coloque cada lado como palillos con longitudes de 40 mm y espesores de 2 mm. lugar una bola sólida con un diámetro de 10 mm en cada esquina del cuadrado modelo.
2. Utilizar resina fotosensible de acrilonitrilo-butadieno-estireno como material para impresión.
3. Envíe el archivo de modelo 3D a un fabricante para la fabricación.

2. fantasma preparación

1. Coloque un cilindro de plástico (diámetro de 8 cm) y una altura de 3 cm en una placa base acrílico con gel de silicona para hacer un titular fantasma a temperatura ambiente. Dejar reposar 1 h.
2. Corte muscular bovina fresca en forma de cuadrados (30 mm x 30 mm, con un espesor de 10 mm) y ventilarlo por 2 h para evaporar la humedad.
3. Vierta el agua desgasificado y desionizado (115 mL) en un vaso de precipitados, agregar en 13 g de acrilamida y revuelva hasta que se disuelva. Agregue 0,24 g de bis-acrilamida y revuelva hasta que se disuelva. Luego, agregar 0,2 mL de N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine y revuelva uniformemente.
   Nota: Ponga en una máscara y guantes de goma.
4. Preparar 5 mL de agua desionizado y desgasificado en otro vaso de precipitados, Añadir 0,3 g de persulfato de amonio y mezclar para disolver.
   PRECAUCIÓN: La acrilamida, bis-acrilamida, N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine y persulfato de amonio son tóxicos. Preste atención y evite el contacto físico.
5. Sucesivamente verter 40% de las soluciones de los pasos 2.3 y 2.4 en el soporte del fantasma y revuelva durante 5 s. Deje la mezcla reposar por 20 min a solidificar.
6. Pon el modelo cuadrado impreso en 3D en la superficie del fantasma solidificada y el músculo bovino en rodajas en el centro del modelo. Vierta el resto de la solución del paso 2.3 en el soporte del fantasma. Mover el músculo bovino hacia adelante y hacia atrás para eliminar el aire entre la interfaz del fantasma y la rebanada.
7. Vierta el resto de la solución preparada en paso 2.4 en el soporte del fantasma y agitar durante 5 s.
8. Ajustar con precisión la ubicación del músculo bovino en rodajas en el centro del fantasma en la dirección transversal. Dejar reposar 20 minutos para solidificar el fantasma.
9. Retirar el gel de sílice entre el plástico cilíndrico y la placa de base acrílico, usando un destornillador.
10. Lentamente suelte el acrílico zócalo de plástico cilíndrico.

3. configuración del sistema USgHIFU

1. Inicie el sistema de USgHIFU clínico.
2. Encienda el módulo de tratamiento de agua y ajustar la velocidad de circulación del agua a 80 redondos por minuto.
3. Llenar un tanque de agua cilíndrico acrílico con (un diámetro de 30 cm) y una altura de 13 cm con agua desgasificada a temperatura ambiente (22-25 ° C).
4. Coloque el soporte del fantasma en el agua desgasificada y fijar el soporte firmemente.
5. Mover el tanque de agua cilíndrico en la cama de tratamiento. Levante la cama de tratamiento y el aparato terapéutico en el agua desgasificado.

4. nosotros-dirigida contra

1. Mueva lentamente hasta la unidad terapéutica y hacia abajo para asegurarse de que la profundidad del plano de tratamiento se encuentra en la interfaz superior del músculo bovino en rodajas y fantasma transparente en la imagen de Estados Unidos.
2. Rotar la sonda de imagen de Estados Unidos a 0° y mover el tanque de agua cilíndrico para hacer el eje de rotación (también denominado eje de proyección de imagen) pasan por el punto medio de los dos palos paralelos en la imagen de Estados Unidos.
3. Rotar la sonda de imagen a 90° y mover el tanque de agua cilíndrico para hacer el eje de rotación pasa por el punto medio de los dos palos paralelos en la imagen de Estados Unidos.
4. Reconstruir la imagen de Estados Unidos en el plano de tratamiento en la profundidad del foco geométrico.
5. Comprobar si las cuatro bolas se muestran claramente en la imagen reconstruida de Estados Unidos y si el objetivo está situado en el centro del modelo cuadrado.
   Nota: El centro del blanco está predeterminado en el centro de la imagen reconstruida. La pelota es determinada por un círculo con un diámetro de 10 mm, el valor de gris medio de los cuales es más alto en un 15 x 15 mm cuadrado. El centro del Plaza modelo está determinado por la diagonal de las cuatro bolas en la imagen reconstruida.
6. El tanque de agua se mueven según las posiciones relativas entre el objetivo y el modelos cuadrado y repetir pasos 4.4 y 4.5.
7. Levantar la unidad terapéutica y del músculo de cerdos con un espesor de alrededor de 30 mm por encima del fantasma. A continuación, mueva hacia abajo la unidad terapéutica hasta la profundidad del foco geométrico es de 3 mm debajo de la superficie superior del músculo bovino en rodajas.
   Nota: La corrección focal de 3 mm a lo largo de la trayectoria de la viga se calcula según el grosor del músculo de cerdos basado en la fórmula empírica de un estudio anterior de¹⁹.

5. sonicación HIFU

1. Seleccione los siguientes parámetros de sonicación: duración del pulso (400 ms), ciclo de trabajo (80%), acústico de potencia (400 W) y tiempo entre la sonicación de sucesivos puntos focales de enfriamiento (30 s).
2. Configurar el tiempo de exposición para los puntos focales en el destino.
   1. Repita el procedimiento para tres objetivos hexagonales regulares concéntricos con respectivas diagonales de 5,4 mm, 9 mm y 12,6 mm. tiempos de exposición sistema de 2.0 s, 2,5 s y 3.0 s para los puntos focales ubicados en el hexágono interno, medio y externo, respectivamente y 2.0 s del foc al punto en el centro geométrico del phased array.
3. Iniciar la sonicación y poner un pie en el pedal para la sonicación de HIFU.
4. Observar el cambio de ecogenicidad de la imagen de Estados Unidos hasta que se terminen las sonications.

6. evaluación de la precisión dirigida a USgHIFU matriz fases del sistema de las

1. Obtener el soporte del fantasma y presione suavemente el fantasma para llevarlo a cabo.
2. Dividir el espectro en el plano de tratamiento usando un cuchillo.
3. Análisis del plano de tratamiento del fantasma que contiene el músculo bovino en rodajas.
4. Procesar la imagen escaneada utilizando software matemático y extraer los límites de la blanco y la lesión.
5. Calcular la distancia intercenter dilatación_c y la máxima sobrepasando los límites de la meta límite d_b.
   Nota: d_c es la distancia entre los centros de destino y su lesión respectivo. d _b es la máxima superación distancia entre el límite de la lesión y su respectivo objetivo.
6. Calcular el cociente de las áreas de lesión dentro y fuera el objetivo para el área de la blanco como η = (S_A ∩ S_P) / S_P y η_O = (S_A - S_A ∩ S_P) / S_P, respectivamente.
   Nota: S_P indica el área de la blanco, S_A representa el área de la lesión.

Resultados

Hicimos fantasmas dedicada a evaluar la precisión objetivo de un sistema de matriz por etapas clínica de USgHIFU con los objetivos de tres tamaños diferentes. Figura 1 muestra la imagen de Estados Unidos en los ángulos de 0 ° y 90 °. Las interfaces son claras, y los palillos del modelo cuadrado son brillantes en las imágenes de los Estados Unidos. Figura 2 se muestra la imagen reconstruida de Estados Unidos en el plano de ...

Discusión

Componentes de robóticos se han utilizado para sistemas de USgHIFU extracorpóreos. Para evaluar la precisión de objetivo de estos sistemas, las referencia marcadores^11,12,18, tejido in vitro¹⁷, modelos de tumor-mimic y fantasmas sensibles a la temperatura se han utilizado solos o en combinación ^10,20. En comparación con los protocolos en esos...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acrylamide	Amresco	D403-2
Acrylic baseboard	LAO NIAO STORES	customized
Acrylic cylindrical water tank	LAO NIAO STORES	customized
Ammonium persulfate	Yatai United Chemical Co., Ltd (Wuxi, China)	2017-03-01
Beaker	East China Chemical Reagent Instrument Store
Bis-acrylamide	Amresco	M0172
Bovine muscle	Market
Chopping board	JIACHI	JC-ZB40
Cylindrical plastic phantom holder	QIYINPAI	customized
Degassed deionized water			made by the USgHIFU system
Electric balance	YINGHENG	11119453359
Glass rod	East China Chemical Reagent Instrument Store
Knife	SHIBAZI	SL1210-C
Mask	Medicom	2498
N,N,N’,N’–Tetramethylethylenediamine	Zhanyun Chemical Co., Ltd (Shanghai, China)
Rubber glove	AMMEX	YZB/MAL 0587-2018
Scanner	Fuji Xerox	DocuPrint M268dw
Screwdriver	Stanley	T6
Silica gel	GE	381
Square model	QIYINPAI	customized
Stainless steel spoons	East China Chemical Reagent Instrument Store
Sucker	East China Chemical Reagent Instrument Store
Swine muscle	Market
USgHIFU system	Zhonghui Medical Technology (Shanghai) Co., Ltd.	SUA-I