Monitoraggio in tempo reale di alta intensità ultrasuoni focalizzati (HIFU) Ablazione<em&gt; In Vitro</em&gt; Canine Livers Uso Harmonic Imaging Movimento per Focused Ultrasound (HMIFU)

Riepilogo

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

Harmonic Imaging Movimento per Focused Ultrasound (HMIFU) è una tecnica in grado di eseguire e monitorare High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) ablazione. Un moto oscillatorio viene generato al centro di un 93-elemento e 4,5 MHz frequenza centrale HIFU trasduttore applicando un segnale modulato in ampiezza 25 Hz utilizzando un generatore di funzione. A 64-elemento e 2,5 MHz trasduttore di imaging con 68kPa pressione di picco è confocally posto al centro del trasduttore HIFU per acquisire i dati del canale a radiofrequenza (RF). In questo protocollo, il monitoraggio in tempo reale della termoablazione con HIFU con una potenza acustica di 7 W in fegati canino in vitro è descritta. Trattamento HIFU è applicato sul tessuto durante 2 minuti e la regione ablato è ripreso in tempo reale utilizzando l'imaging divergenti o un'onda piana fino a 1.000 fotogrammi / secondo. La matrice dei dati del canale RF viene moltiplicata per una matrice sparsa per la ricostruzione dell'immagine. Il campo ricostruito di vista è di 90 ° per divergente wave e 20 mm per l'imaging onde piane ed i dati sono campionati a 80 MHz. La ricostruzione viene eseguita su una Processing Unit grafica (GPU) per immagini in tempo reale ad un frame rate 4.5 display. 1-D normalizzato cross-correlazione dei dati RF ricostruito viene utilizzato per stimare spostamenti assiali nella regione focale. L'entità dello spostamento picco-picco alla profondità focale diminuisce durante l'ablazione termica che denota irrigidimento del tessuto a causa della formazione di una lesione. Il segnale-rumore rapporto di spostamento (SNR _d) presso l'area focale di un'onda piana è stata di 1,4 volte superiore a quello divergente onda mostrare che l'imaging onda piana sembra produrre meglio spostamento mappe di qualità per HMIFU di divergenza di imaging onda.

Introduzione

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.

Protocollo

Questo protocollo è stato approvato dalla cura e l'uso degli animali Comitato Istituzionale della Columbia University. Tutto l'acquisizione e l'elaborazione dei dati sono state eseguite utilizzando l'ambiente Matlab.

1. set-up sperimentale

1. Degassare un vivo canino campione ex fegato durante 90 min. Posizionare il campione di fegato in una vasca riempita con tampone fosfato degasato Solution (Figura 1). Fissare il campione di fegato su un assorbitore acustico con aghi alle estremità del fegato.
2. Inserire un 64-elemento, mm di passo 0,32, 2,5 MHz frequenza centrale phased array (imaging) attraverso un foro circolare situato al centro di un 93-elemento dell'array emisferica HIFU trasduttore (terapeutico) a 4,5 MHz frequenza centrale, 70 mm profondità focale e 1,7 mm x 0,4 millimetri di dimensione focale ^11. Allineare i due trasduttori coassialmente e fissare il trasduttore di imaging nella trasduttore terapeutica con viti di regolazione.
   1. Coprire il trasduttore HIFU con avolume controllato membrana poliuretanica riempita con acqua corrente degasata per raffreddarlo. Montare il trasduttore su un 3-D posizionatore controllati dal computer.
3. Collegare il trasduttore HIFU ad un generatore di funzione di invio a 25 Hz modulata in ampiezza della forma d'onda sinusoidale con 500 mV massima ampiezza. Collegare il trasduttore di imaging per un sistema ad ultrasuoni completamente programmabile utilizzando il software Matlab.
   Nota: Un software associato con il sistema ad ultrasuoni e con l'ambiente Matlab deve essere installato sul computer collegato al sistema. Un amplificatore 50 dB RF e una rete di adattamento deve essere collocato tra il trasduttore HIFU e il generatore di funzioni per amplificare rispettivamente la potenza e abbinare l'impedenza.
4. Creare una griglia polare, utilizzando Matlab, iniziando 50 mm dalla superficie della matrice e 40 mm di profondità in direzione radiale con passo spaziale di 9,625 micrometri e di 90 ° in direzione azimutale con 128 linee e la cui origine è il focus dell'onda divergenti. Definire la sorgente del divergenti dell'onda 10.24 mm (metà delle dimensioni dell'apertura) dietro la superficie della matrice e centrato nella direzione laterale.
   1. Creare una griglia cartesiana, utilizzando Matlab, iniziando 50 mm dalla superficie della matrice e 40 mm di profondità in senso assiale con passo spaziale di 9,625 micron e 20 mm di larghezza in direzione laterale con 64 linee per l'onda piana. Definire la sorgente dell'onda piana sulla superficie della matrice. Per ogni griglia, calcolare il tempo dalla sorgente a ciascun punto della griglia e di nuovo a ogni elemento dell'array.
5. Inserire "ReconMat_DW" per l'imaging divergenti onda o "ReconMat_PW" per l'imaging onda piana nella finestra di comando Matlab e premere il tasto "Enter" per creare una matrice di ricostruzione associato con un algoritmo di ritardo-e-somma standard per ogni griglia. Applicare l'algoritmo di ritardo-e-somma ogni vettore di base tipo e recuperare i elemen non zerits della matrice risultante ^11. Assegnare gli elementi non nulli ottenuti dalla matrice risultante alla matrice sparse nella posizione corrispondente. Salvare la matrice di ricostruzione sul disco rigido del computer.
   Nota: Il divergenti e metodi d'onda piano utilizzano due matrici distinte di ricostruzione.
   1. Gettate la matrice di ricostruzione di una matrice GPU. Inserire "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" per divergenze di imaging onda o "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" per l'imaging onda piana nella finestra di comando Matlab e premere "Invio" per creare un file di installazione per l'acquisizione dei dati del canale ultrasuoni utilizzando lo script associato al phased array e fornito dal produttore del sistema ad ultrasuoni. Nome del file di setup "P4-2Flash_DivergingWave.mat" per l'imaging divergenti onda e "P4-2Flash_PlaneWave.mat" per l'imaging onda piana.
      Nota: Un pacchetto software commerciale deve essere installato sul computer to lanciare la matrice sparsa di ricostruzione di una matrice GPU.
6. Sincronizzare il sistema a ultrasuoni con il generatore di funzione utilizzando un trigger esterno in modo che l'acquisizione dei dati frame rate elevato ultrasuoni del fegato inizia contemporaneamente come HIFU.
7. Aprire Matlab. Eseguire lo script di installazione "SetUpP4_2Flash_4B.m" fornito dal produttore del sistema ad ultrasuoni di utilizzare immagini B-mode. Nome del file di installazione creato: "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Utilizzare il comando "VSX" e quando "Nome del file di .mat a processo:" viene richiesto, inserire il nome del file di setup "P4-2Flash_4B_Bmode.mat". Spostare entrambi i trasduttori e utilizzare il display B-mode che è apparso sullo schermo del computer per posizionarli nella regione di destinazione del fegato per l'ablazione. Target una regione di circa 1 cm sotto la superficie del fegato per evitare un'elevata attenuazione ultrasuoni causa dell'assorbimento. Salvare un'immagine convenzionale B-mode del fegato nel computer.
   Nota:Qui ci siamo esibiti ablazioni HIFU a 11 luoghi diversi in due esemplari di fegato spostando i trasduttori con il posizionatore 3-D per ogni ablazione.

2. Ecografia Acquisizione Dati

1. Aprire Matlab. Utilizzare il comando "VSX" e quando "Nome del file di .mat a processo:" viene richiesto, immettere il nome del file di setup "P4-2Flash_DivergingWave.mat" per l'imaging divergenti onda o "P4-2Flash_PlaneWave.mat" per onda piana imaging. Avviare l'HIFU e applicarlo durante 2min alla regione di destinazione.
2. Acquisire i dati del canale RF a 1.000 fotogrammi al secondo durante 2 minuti utilizzando onde divergenti. In alternativa, acquisire i dati del canale RF a 1.000 fotogrammi al secondo durante 2 min con onde piane.
3. Trasferire i dati a un computer host ogni 200 fotogrammi con un cavo PCI Express. In alternativa, per streaming in tempo reale, acquisire i dati del canale RF in 167 fotogrammi al secondo durante 2 minuti utilizzando onde piane e trasfer i dati a un computer host ogni 2 fotogrammi.
   Nota: I metodi di imaging con l'insieme delle 200 fotogrammi fornisce ad alta risoluzione temporale all'interno di ogni set, ma la creazione di spazi vuoti tra ogni serie ed è appropriato per l'elaborazione off-line. Il metodo di imaging a 167 fps con una risoluzione temporale inferiore, ma non crea eventuali lacune in tutto il tutto il tempo di ablazione ed è adatto per streaming in tempo reale.
4. Gettate la matrice di dati canale RF per una sola matrice precisione GPU con Matlab. Moltiplicare la matrice di dati canale RF dalla matrice di ricostruzione di ottenere i dati RF ricostruiti ^11.

3. Spostamento Imaging

1. Creare un ⁶ ° ordine Butterworth filtro passa-basso a 4 MHz frequenza di taglio utilizzando il sistema DSP System Toolbox di Matlab. Applicare questo filtro passa-basso per i dati RF ricostruiti per filtrare la componente 4,5 MHz HIFU.
2. Stimare lo spostamento assiale tra fotogrammi consecutivi utilizzando 1-D normalizzato cross-correlazionecon una lunghezza 3,1 millimetri-finestra e il 90% di sovrapposizione.
3. Creare un ⁶ ° ordine Butterworth filtro passa-basso a 100 Hz frequenza di taglio utilizzando il sistema DSP System Toolbox di Matlab. Applicare questo filtro passa basso per i dati di spostamento temporale utilizzando Matlab per recuperare la componente di frequenza 50 Hz-oscillatorio.
4. Definire una regione di interesse (ROI) come la regione focale a -6 dB (1,7 x 0,4 mm in acqua) e si trova a distanza di 70 mm dalla superficie del trasduttore. Estrarre i dati di spostamento in questo ROI. Stima il rapporto segnale-rumore rapporto di spostamento (SNR _d) in corrispondenza della zona focale dopo 2 min di ablazione come il rapporto fra il volume media e la deviazione standard dello spostamento nella ROI.
5. Estrarre il segnale di spostamento temporale di 50 Hz al fuoco dai dati della matrice di spostamento. Convertire il segnale di spostamento temporale al fuoco in suoni udibili con Matlab.

Risultati

In tempo reale lo streaming di operatore spostamento durante HIFU l'ablazione può essere ottenuto utilizzando l'imaging onda divergenti e aereo. Figura 2 è un cattura schermo video che mostra visualizzazione in tempo reale della forza radiazioni acustico spostamento indotto con piano di imaging onda in vitro cane fegati in corso HIFU l'ablazione . Gli spostamenti sono in streaming in tempo reale sullo schermo del computer con un frame rate di visualizzazione di 4.5 Hz. Sp...

Discussione

Monitoraggio in tempo reale delle lesioni HIFU è importante per garantire una corretta ed efficiente consegna lesione. Poiché le forme di lesione, il tessuto si irrigidisce e la sua ampiezza di movimento sotto eccitazione diminuisce. Applicando HIFU in una regione dei risultati di tessuto in una forza di radiazione acustica che induce lo spostamento del tessuto. La variazione relativa di spostamento è un surrogato di variazione relativa di rigidità dei tessuti. Questa tecnica offre il vantaggio di monitorare HIFU le...

Materiali

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