높은 강도의 실시간 모니터링의 초음파 (HIFU) 절제를 집중<em&gt; 체외</em&gt; 집중 초음파에 대한 조화 운동 이미징을 사용하여 개 간을 (HMIFU)

요약

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.

초록

집중 초음파에 대한 조화 운동 이미징 (HMIFU)을 수행하고 높은 강도 (HIFU) 절제 초음파를 집중 모니터링 할 수있는 기술이다. 진동 운동은 함수 발생기를 사용하여 25 Hz의 진폭 변조 신호를인가하여 소자 (93) 및 4.5 MHz의 중심 주파수 HIFU 변환기의 포커스에서 생성된다. 68kPa 피크 압력 64 요소 및 2.5 MHz의 촬상 센서는 공 초점으로 무선 주파수 (RF) 채널 데이터를 취득하는 HIFU 변환기의 중앙에 배치된다. 이 프로토콜에서, 시험 관내 개과 간 7 W의 음향 파워 HIFU를 사용하여 열 삭마의 실시간 모니터링을 설명한다. HIFU 치료는 2 분 동안 조직에 도포되며, 절제 영역은 1000 프레임 / 초로 발산 또는 평면파 이미징을 사용하여 실시간으로 이미징된다. RF 채널 데이터의 매트릭스는 화상 재구성에 대한 희소 행렬에 의해 승산된다. 보기의 재구성 필드는 워싱턴을 발산 90 °이다적이 및 평면파 이미징 20mm 및 데이터는 80 MHz에서 샘플링된다. 재구성 4.5 디스플레이 프레임 레이트로 실시간으로 화상하기 위해 그래픽 처리 장치 (GPU)에 대해 수행된다. 재구성 된 RF 데이터의 1-D 정규화 상호 상관이 초점 영역에서의 축 변위를 추정하는 데 사용된다. 초점 심도의 피크 - 투 - 피크 변위 크기 때문에 병변의 형성 티슈의 강성을 나타낸다 열 절제 동안 감소한다. 평면파의 초점 영역의 변위 신호 대 잡음비 (SNR의 _D) 그 평면파 촬상를 나타내는 전파를 발산에 비해 1.4 배 높았다 더 변위 웨이브 촬상 발산보다 HMIFU 품질 맵핑 생성하도록 나타난다.

서문

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.

프로토콜

이 프로토콜은 컬럼비아 대학의 기관 동물 케어 및 사용위원회에 의해 승인되었다. 모든 데이터 수집 및 처리 매트랩 환경을 사용하여 수행 하였다.

1. 실험 장치

1. 90 분 동안 생체 개 간 샘플을 드가. 탈기 인산염 완충 용액 (그림 1)로 채워진 탱크에 간 샘플을 넣습니다. 간 사지에서 바늘 음향 흡수에 간 샘플을 수정합니다.
2. 4.5 MHz의 중심 주파수, 70mm 초점 깊이로 (치료) (93) 요소 반구 배열 HIFU 변환기의 중앙에 위치한 원형의 구멍을 통해 64 소자, 0.32 mm 피치, 2.5 MHz의 중심 주파수 위상 어레이 (촬상)를 삽입 1.7 mm X 0.4 mm의 초점 크기 ^(11). 동축 모두 트랜스 듀서를 맞추고 조정 나사와 치료 변환기에 영상 변환기를 고정합니다.
   1. AV와 HIFU 변환기를 덮그것을 아래로 냉각 탈기 흐르는 물 가득 폴리 우레탄 막을 olume 제어. 컴퓨터로 제어되는 3 차원 포지셔너의 트랜스 듀서 어셈블리를 장착합니다.
3. 500 MV 최대 진폭과 25 Hz의 진폭 변조 된 사인 파형을 보내는 함수 발생기에 HIFU 변환기를 연결합니다. 소프트웨어를 사용 matlab에 완전히 프로그램 초음파 시스템에 촬상 변환기를 연결한다.
   초음파 시스템과 관련된 소프트웨어 및 매트랩 환경을 사용하는 시스템에 연결된 컴퓨터에 설치되어야한다 : 주. 50dB 증폭기 및 RF 정합 네트워크는 HIFU 변환기 각각 전력을 증폭하고 임피던스에 맞도록 함수 발생기 사이에 배치되어야한다.
4. 이는 원점 128 라인과 방위각 방향으로 9.625 ㎛ 내지 90 °의 공간적 단계와 반경 방향으로 깊은 어레이의 표면으로부터 50mm 및 40mm 개시 매트랩을 사용하여, 극성 그리드 만들기 FO 인발산 파의 기분이야. 어레이의 표면 뒤에 발산 파 10.24 mm의 소스 (구멍 크기의 절반)을 정의하고, 가로 방향 중심.
   1. 넓은 평면파 64 라인 폭 방향 9.625 ㎛ 내지 20mm의 공간 단계와 축 방향으로 깊게 배열의 표면으로부터 50mm 및 40mm 개시 매트랩을 사용하여 직교 표를 작성. 어레이의 표면에서 평면파의 소스를 정의한다. 각 격자에 대해, 다시 배열의 각 요소에 각각의 그리드 지점 소스로부터 시간을 계산하고.
5. matlab에 명령 창에서 평면파 이미징 웨이브 영상 또는 "ReconMat_PW"를 발산은 "ReconMat_DW"을 입력하고 각 격자에 대한 표준 지연과 합 알고리즘과 관련된 재건 행렬을 작성하려면 "입력"키를 누릅니다. 표준 기준 벡터의 각각에 지연과 합 알고리즘을 적용하고 비 제로의 elemen 검색결과 매트릭스 ^(11)의 TS. 대응하는 위치에 상기 희소 행렬 생성 행렬로부터 얻어진 비 - 제로 엘리먼트를 할당. 컴퓨터 하드 드라이브에 재건 행렬을 저장합니다.
   주 : 발산 및 ​​평면파 방법은 두 가지 재구성 매트릭스를 사용한다.
   1. GPU 행렬에 재건 행렬을 캐스팅합니다. matlab에 명령 창하고 Enter 키를 누르십시오 "입력"제조업체가 위상 배열과 관련된 제공된 스크립트를 사용하여 초음파 채널 데이터 수집을위한 설치 파일을 만들 수있는 평면 파 이미징 웨이브 영상 또는 "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW"를 발산은 "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW"를 입력 초음파 시스템. 평면파 이미징 파 이미징 및 "P4-2Flash_PlaneWave.mat"를 발산의 설치 파일 "P4-2Flash_DivergingWave.mat을"이름을 지정합니다.
      주 : 상용 소프트웨어 패키지 t 컴퓨터에 설치해야O GPU 행렬에 재건 스파 스 매트릭스를 캐스팅.
6. 간 높은 프레임 레이트 초음파 데이터 취득 HIFU과 동시에 시작하도록 외부 트리거를 이용하여 함수 발생기와 초음파 시스템을 동기화.
7. matlab에를 엽니 다. B 모드 영상을 사용하는 초음파 시스템 제조자에 의해 제공된 설정 스크립트 "SetUpP4_2Flash_4B.m"를 실행. "P4-2Flash_4B_Bmode.mat"생성 된 설치 파일의 이름을 지정합니다. "프로세스에 .MAT 파일의 이름이" "VSX"명령 때 사용하라는 메시지가 표시되어, 설치 파일 "P4-2Flash_4B_Bmode.mat"의 이름을 입력합니다. 모두 트랜스 듀서를 이동하고 브레이션 간 대상 지역에서 그 위치를 컴퓨터 화면 상에 나타난 B-모드 디스플레이를 사용합니다. 흡수로 인해 높은 초음파 감쇠를 피하기 위해 영역을 간 표면 아래 약 1cm 타겟팅. 컴퓨터 간의 종래의 B 모드 영상을 저장한다.
   노트 :여기에서 우리는 각 절제에 대한 3 차원 포지셔너와 트랜스 듀서를 이동하여 두 개의 간 시편 11 다른 위치에서 HIFU의 절제를 시행 하였다.

2. 초음파 데이터 수집

1. matlab에를 엽니 다. "VSX"명령을 사용하여 "프로세스에 .MAT 파일 이름 :"때 메시지가 표시되고, 비행기 파도 웨이브 영상 또는 "P4-2Flash_PlaneWave.mat"를 발산하기위한 설정 파일 "P4-2Flash_DivergingWave.mat"의 이름을 입력합니다 영상. HIFU를 시작하고 대상 지역에 2 분 동안 적용합니다.
2. 발산 파를 이용하여 2 분 동안 초당 1,000 프레임에서 RF 채널의 데이터를 획득. 대안 적으로, 2 분 사용 평면파 동안 초당 1,000 프레임에서 RF 채널의 데이터를 획득.
3. PCI 익스프레스 케이블을 통해 호스트 컴퓨터 (200)의 모든 프레임 데이터를 전송. 대안 적으로, 실시간 스트리밍, 평면파를 사용하고 TRANSF 2 분 동안 초당 167 프레임에서 RF 채널 데이터를 취득호스트 컴퓨터에 데이터를 매 2 프레임 ER.
   참고 : 200 프레임의 세트와 함께 이미징 방법은 각 세트 사이의 각 세트 만 만들 간격 내에서 높은 시간 해상도를 제공하고, 오프라인 처리에 적합하다. FPS (167)에서의 촬상 방법은 낮은 시간 해상도를 가지고 있지만, 전체 박리 시간에 걸쳐 임의의 갭을 ​​생성하지 않고, 실시간 스트리밍에 적합하다.
4. matlab에 단일 정밀 GPU 행렬로 RF 채널 행렬 데이터 캐스트. 재구성 된 RF 데이터 ^(11)를 얻기 위해 재구성 매트릭스에 의해 RF 채널 데이터 행렬을 곱한다.

3. 변위 영상

1. matlab에의 DSP 시스템 도구 상자를 사용하여 4 MHz의 차단 주파수에서 6 ^번째 차 버터 워스 저역 통과 필터를 만듭니다. 4.5 MHz의 HIFU 성분을 필터링하는 RF 데이터 재구성이 저역 통과 필터를 적용한다.
2. 1-D 정규화 상호 상관을 이용하여 연속적인 프레임 사이의 축 방향 변위를 추정3.1mm-윈도우 길이 및 90 % 겹침.
3. matlab에의 DSP 시스템 도구 상자를 사용하여 100 Hz의 차단 주파수에서 6 ^번째 차 버터 워스 저역 통과 필터를 만듭니다. 50 HZ-진동 주파수 성분을 검색하는 데 사용 매트랩 시간적 변위 데이타에이 저역 통과 필터를 적용한다.
4. -6 dB에서 초점 영역으로서 ROI를 정의 (1.7 X 0.4 mm 물) 및 70mm 떨어진 변환기 표면으로부터 위치. 이 투자 수익 (ROI)의 변위 데이터의 압축을 풉니 다. 평균 변위와 ROI의 변위의 표준 편차의 비로서 절제의 2 분 후에 국소 영역에서의 변위 신호 대 잡음비 (SNR의 _D)를 추정한다.
5. 변위 행렬 데이터의 초점에서 50 Hz의 시간 변위 신호의 압축을 풉니 다. matlab에를 사용하여 가청 사운드에 초점에 시간 변위 신호를 변환합니다.

결과

HIFU 어블 동안 HMI 변위 실시간 스트리밍이 발산 및 평면파 이미징을 사용하여 얻을 수있다. (2)도 것은 HIFU 어블 동안 시험관 개과 간에서 평면파 이미징을 사용하여 음향 방 사력 유도 변위의 실시간 표시를 나타내는 영상 화면 캡처이고 . 변위 4.5 Hz의 디스플레이 프레임 레이트로 컴퓨터 화면에 실시간으로 스트리밍된다. 긍정적 인 변위가 파란색에서 붉은 색과 음의 변위로 ?...

토론

HIFU 병변의 실시간 모니터링은 적절하고 효율적인 병변 전달을 보장하는 것이 중요하다. 병변의 형태로서, 조직은 경직 및 여기 하의 움직임 진폭은 감소한다. 조직의 변위를 유도하는 음향 방 사력에 티슈 결과 영역 HIFU 적용. 변위의 상대적인 변화는 조직 강성 상대적으로 변화의 대리입니다. 이 기술은 다른 방법에 기초하여 초음파 대조 처리를 중지하지 않고 HIFU 병변을 모니터링하는 장점을 ?...

자료

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