高強度のリアルタイムモニタリングの超音波（HIFU）アブレーションを重視しました<em&gt;インビトロ</em集束超音波のための調和運動イメージングの使用&gt;犬の肝臓（HMIFU）

要約

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.

要約

集束超音波（HMIFU）のための調和運動イメージングは​​、高強度の超音波（HIFU）アブレーションを集中実行し、監視することができる技術です。振動運動は、関数発生器を用いて、25 Hzの振幅変調信号を印加することにより、93素子と4.5 MHzの中​​心周波数HIFUトランスデューサの焦点で生成されます。 68kPaのピーク圧力で、64素子と2.5 MHzの撮像トランスデューサは、共焦点無線周波数（RF）チャネルのデータを取得するためにHIFUトランスデューサの中心に配置されています。このプロトコルでは、 インビトロでのイヌの肝臓に7 Wの音響パワーとHIFUを用いた熱アブレーションのリアルタイム監視が記載されています。 HIFU治療は、2分の間に組織に適用され、アブレーション領域1000フレーム/秒に発散または平面波イメージングを使用してリアルタイムで画像化されます。 RFチャネルデータの行列は、画像再構成のための疎行列乗算されます。ビューの再構築されたフィールドは、WAを発散するために90°でありますVEの平面波イメージングのための20ミリ、データが80 MHzでサンプリングされます。再構成は、4.5の表示フレームレートでリアルタイムに画像化するためにグラフィック処理装置（GPU）上で実行されます。再構成されたRFデータの1次元の正規化相互相関は、焦点領域内の軸方向の変位を推定するために使用されます。焦点深度でのピーク・ツー・ピーク変位の大きさが原因病変の形成組織の硬化を意味熱アブレーションの間に減少します。平面波のための焦点領域における変位信号対雑音比（SNR _d）はその平面波イメージングは波撮像発散よりHMIFUための優れた変位マップの品質を生成するために表示される表示波発散よりも1.4倍高かったです。

概要

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.

プロトコル

このプロトコルはコロンビア大学の施設内動物管理使用委員会によって承認されました。すべてのデータ収集及び処理は、MATLAB環境を用いて行きました。

1.実験のセットアップ

1. 90分の間にex vivoでの犬の肝臓試料を脱気。脱気したリン酸緩衝液（ 図1）を充填したタンク内に肝臓試料を置きます。肝臓の先端に針を持つ音響吸収の肝臓試料を固定します。
2. 4.5 MHzの中​​心周波数、70ミリメートル焦点深度とで（治療）93要素半球状配列HIFUトランスデューサの中心部に位置する円形の穴を通って、64要素0.32 mmピッチ、2.5 MHzの中​​心周波数フェーズドアレイ（画像）を挿入1.7ミリメートルX 0.4ミリメートル焦点サイズ^11。同軸の両方の変換器の位置を合わせ、調整ネジで治療用トランスデューサに撮像トランスデューサを修正。
   1. AVとHIFUトランスデューサをカバーそれを冷却するために脱気流水で満たされたポリウレタン膜をolume制御。コンピュータ制御の3次元ポジショナーにトランスデューサアセンブリをマウントします。
3. 500 mVの最大振幅の25 Hzの振幅変調された正弦波形を送信する関数発生器にHIFUトランスデューサを接続します。ソフトウェアMATLABを使用して、完全にプログラム可能な超音波システムに撮像トランスデューサを接続します。
   注：ソフトウェアの超音波システムに関連し、MATLAB環境を使用してシステムに接続されたコンピュータにインストールする必要があります。 50デシベルRF増幅器及び整合ネットワークはそれぞれの電力を増幅し、インピーダンスを整合させるHIFUトランスデューサと関数発生器との間に配置されるべきです。
4. 9.625ミクロンの128行で方位角方向に90°の空間ステップとアレイの表面から50ミリメートル径方向に深い40ミリメートルを開始するには、MATLABを使用して、極格子を作成した起源はFOであります発散波のCUS。アレイの表面の背後に発散波10.24ミリメートル（開口部の半分のサイズ）のソースを定義し、横方向の中央に配置。
   1. 広い平面波の場合は64行で横方向に9.625ミクロンと20ミリメートルの空間ステップで軸方向に深いアレイの表面から50ミリメートルと40ミリメートルを開始するには、MATLABを使用して、デカルトグリッドを作成します。アレイの表面上の平面波のソースを定義します。各グリッドについて、バック配列の各要素に、グリッドの各点にソースから時間を計算し、。
5. MATLABコマンドウィンドウで平面波イメージングのため波イメージングまたは「ReconMat_PW」を発散するための「ReconMat_DW」と入力し、各グリッドのための標準的な遅延和アルゴリズムに関連した再構築マトリックスを作成するために、「入力」を押します。標準基底の各ベクトルに遅延和アルゴリズムを適用し、非ゼロelemenを取得結果の行列¹¹のTS。対応する位置でのスパース行列に結果の行列から得られた非ゼロ要素を割り当てます。コンピュータのハードドライブ上の復元行列を保存します。
   注意：発散と平面波法は、2つの別個の復興行列を使用しています。
   1. GPU行列に復元行列をキャストします。フェーズドアレイに関連するスクリプトを使用して超音波チャンネルデータ取得のためのセットアップファイルを作成するには、「入力」、MATLABコマンドウィンドウとプレスで平面波イメージングのため波イメージングまたは「SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW」を発散するための「SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW」と入力し、製造業者によって提供超音波システム。波イメージングと平面波イメージングのための「P4-2Flash_PlaneWave.mat」を発散するための設定ファイル「P4-2Flash_DivergingWave.matを」という名前を付けます。
      注：市販のソフトウェアパッケージは、コンピュータtに設置されなければなりませんO GPU行列に再建疎行列をキャスト。
6. 肝臓の高フレームレート超音波データ取得は、HIFUと同時に起動するように外部トリガを使用して、関数発生器と超音波システムを同期します。
7. MATLABを開きます。 Bモード画像を使用するには、超音波システムの製造元から提供されたセットアップスクリプト」SetUpP4_2Flash_4B.m」を実行します。 「P4-2Flash_4B_Bmode.mat」：作成したセットアップファイルに名前を付けます。 「プロセスに.MATファイル名： "" VSX」コマンドと時を使用促され、セットアップファイル「P4-2Flash_4B_Bmode.mat」の名前を入力します。両方のトランスデューサを移動し、切除する肝​​臓の標的領域でそれらを配置するためにコンピュータの画面上に現れたBモード表示を使用しています。吸収による高い超音波減衰を避けるために、肝臓の表面下約1cm地域を対象とします。コンピュータ上の肝臓の従来のBモード画像を保存します。
   注意：ここでは、それぞれの切除のための3次元位置決め装置で変換器を移動することにより、2つの肝臓標本における11の異なる場所でのHIFU切除を行いました。

2.超音波データ集録

1. MATLABを開きます。 「VSX」コマンドを使用して、「プロセスへの.MATファイル名： "ときにプロンプ​​トが表示され、平面波のための波イメージングまたは「P4-2Flash_PlaneWave.mat」を発散するための設定ファイル" P4-2Flash_DivergingWave.mat」の名前を入力します。イメージング。 HIFUを起動し、標的領域へ​​の2分の間にそれを適用します。
2. 発散波を使用して2分の間​​に第2の1,000フレームでのRFチャネルのデータを取得します。代替的に、平面波を使用して2分の間​​に第2の1,000フレームでRFチャネルデータを取得します。
3. PCI Expressのケーブルを介してすべての200フレームホストコンピュータにデータを転送します。あるいは、リアルタイムストリーミングでは、平面波とTRANSFを用いて2分間にわたって毎秒167フレームでRFチャネルデータを取得しますホストコンピュータにデータ毎に2フレームER。
   注：200フレームのセットでイメージング方法は、各セット内で高い時間分解能を提供しますが、各セット間のギャップを作成し、オフライン処理に適しています。 167 fpsで撮影方法は、低時間分解能を持っていますが、全体の切除時間全体で任意のギャップを作成しません、リアルタイムストリーミングに適しています。
4. MATLABに単精度GPUマトリックスにRFチャネルデータ行列をキャストします。再構成されたRF ^データ 11 ^{を取得するために}再構成マトリクスによってRFチャネルデータ行列を乗算します。

3.変位イメージング

1. MatlabののDSP System Toolboxのを使用して、4 MHzのカットオフ周波数で^第 6次バタワースローパスフィルタを作成します。 4.5 MHzのHIFUコンポーネントをフィルタリングするために再構成されたRFデータには、このローパスフィルタを適用します。
2. 1-D、正規化相互相関を用いて、連続するフレームの間の軸方向の変位を推定します3.1ミリメートルウィンドウの長さと90％のオーバーラップを有します。
3. MatlabののDSP System Toolboxのを使用して100 Hzのカットオフ周波数で^第 6次バタワースローパスフィルタを作成します。このローパスフィルタは50Hzで、発振周波数成分を取得するためにMATLABを使用して、一時的な変位データに適用します。
4. で-6dBの（水中1.7×0.4 mm）の焦点領域として関心領域（ROI）を定義し、離れて、変換器表面から70ミリメートルに位置。このROI内の変位データを抽出します。平均変位とROIの変位の標準偏差の比として切除の2分後に、焦点領域における変位信号対雑音比（SNR _{さd）を推定します} 。
5. 変位行列データから焦点に50 Hzの一時的な変位信号を抽出します。 MATLABを使用して可聴音に焦点に時間的な変位信号に変換します。

結果

HIFU切除中にHMI変位のリアルタイムストリーミングが発散し、平面波イメージングを用いて得ることができる。 図2は、HIFU切除中にインビトロイヌ肝臓における平面波イメージングを用いた音響放射力誘起される変位のリアルタイム表示を示すビデオ画面キャプチャであります。変位は4.5ヘルツの表示フレームレートでコンピュータの画面上でリアルタイムにストリーミン...

ディスカッション

HIFU病変のリアルタイムモニタリングは、適切かつ効率的な病変の配信を保証することが重要です。病変の形態としては、組織が硬直し、励起下での運動の振幅は減少します。組織変位を誘発する音響放射力で組織の結果の領域にHIFUを適用します。変位の相対的な変化は、組織の剛性の相対的な変化の代理です。この技術は、他の超音波ベースの方法とは対照的に治療を停止することなく、H...

資料

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