3 차원 초음파 바늘 팁 광섬유 초음파 수신기와 함께 추적

요약

침략 적 의료 기기에 대 한 정확 하 고 효율적인 시각화 많은 초음파 유도 최소한 침략 적 절차에서 매우 중요 하다. 여기, 초음파 이미징 프로브 상대적인 바늘 팁의 공간 위치를 지역화 하는 방법을 제시 합니다.

초록

초음파 지도 최소한 침략 적 절차를 위해 자주 사용 되 하지만 의료 기기를 시각화 종종 어려운이 이미징 적임. 시각화는 분실, 의료 기기 외상 중요 한 조직 구조를 발생할 수 있습니다. 여기, 초음파 이미지 유도 절차 동안 바늘 팁을 추적 하는 방법을 제시 합니다. 이 방법은 외부 초음파 프로브 초음파 통신할 의료 바늘의 정 맥 내 부착은 광섬유 초음파 수신기의 사용을 포함 한다. 이 사용자 정의 프로브 중앙 트랜스듀서 요소 배열 측면 요소 배열 구성 되어 있습니다. 기존의 2 차원 (2D) B 형태 초음파 이미징 중앙 배열에 의해 제공, 뿐만 아니라 추적 하는 3 차원 (3D) 바늘 팁 측면 배열에 의해 제공 됩니다. B 형태 초음파 이미징, 전자 빔 형성 된 표준 transmit-receive 시퀀스 수행 됩니다. 초음파 추적에 대 한 4 측면 배열에서 Golay 코딩 초음파 전송 고래의 센서에 의해 수신 되 고 이후 수신된 신호는 디코딩된 초음파 영상에 관하여 바늘 팁의 공간 위치를 식별할 수 프로브입니다. 이 방법의 예비 유효성 검사로 삽입 바늘/고래의 쌍의 임상 실제 상황에서 수행 했다. 이 소설 초음파 이미징/추적 방법 현재 임상 워크플로와 호환 이며 비행기에서와 밖으로의 비행기 바늘 삽입 하는 동안 신뢰할 수 있는 장치 추적을 제공 합니다.

서문

침략 적 의료 기기에 대 한 정확 하 고 효율적인 지역화는 매우 많은 초음파 유도 최소한 침략 적 절차에 원한다. 이 절차는 지역 마 취 및 중재 통증 관리¹, 중재 종양학², 태아 의학³등 임상 상황에서 발생 했습니다. 의료 기기 팁의 시각화는 초음파 이미징으로 전하실 수 있습니다. 비행기에 삽입 하는 동안 바늘 들은 가난한 가시성 삽입 각도 가파른 있습니다. 또한, 평면으로 삽입 하는 동안 바늘 축 수 수 잘못 해석 바늘 팁으로. 바늘 팁 초음파 보이지 않습니다, 그것은 중요 한 조직 구조를 손상 하 여 합병증 발생할 수 있습니다.

많은 방법이 초음파 이미징 동안 의료 기기를 지역화를 사용할 수 있지만 현재 임상 워크플로와 호환 되는 믿을 수 있는 한 높은 원하는. Echogenic 표면 가파른 각도에서 비행기 삽입⁴동안 가시성을 개선 하기 위해 사용할 수 있습니다. 밖으로의 비행기 삽입 중 전자기 추적 시스템에 사용할 수 있지만 전자기장 방해 심각 하 게 그들의 정확성을 저하 될 수 있습니다. 3D 초음파 이미징 때 그들은 체액⁵에 의해 포위 된다 심장 및 태아의 일부 절차에 의료 기기의 가시성을 높일 수 있습니다. 그러나, 3 차원 초음파 영상 사용 되지 않습니다 널리 바늘 지도, 일부 이미지 해석와 관련 된 복잡성 때문.

초음파 추적은 의료 기기 표시^{6,7,,89,10,11,12 개선을 위한 큰 잠재력을 보이고 있다 ,,1314}. 초음파 추적, 의료 기기 포함 된 초음파 센서 나 송신기 적극적으로 외부 초음파 이미징 프로브와 통신 하는. 의료 기기 위치 측정된 초음파 시간-의-항공편 포함 된 초음파 센서/전송기 및 다른 트랜스듀서 요소 프로브 사이에서 확인할 수 있습니다. 날짜 하려면, 초음파 추적에 비행기 관리를 크게 그것의 임상 사용을 제한 했다 제한 되었습니다.

여기, 사용자 정의 초음파 이미징 프로브로 어떻게 3D 초음파 추적의 데모를 수행할 수 있습니다와 광섬유 고래의 바늘의 정 맥 내 부착 (그림 1)를 제공 됩니다. 이 사용자 정의 프로브, 저자에 의해 설계 되었고 외부 제조, 트랜스듀서 요소 중앙 배열 및 4 개의 측면 배열 구성 되어 있습니다. 2D 초음파 이미징; 중앙 배열 사용 측면 배열 3d 바늘 팁 광섬유 초음파 수신기와 함께 콘서트에 추적. 그것은 광섬유 초음파 수신기를 배치 하 고 바늘 캐 뉼 러 내 부착 수 어떻게, 얼마나 시스템의 추적 정확도 벤치탑에 측정 하 고 어떻게 임상 수 유효성 검사를 수행할 수 있습니다.

프로토콜

1. 시스템 하드웨어

1. 임상 사용자 정의 초음파 이미징 프로브
   1. 중앙 및 측면 배열을 포함 하는 사용자 정의 프로브에 변환기 요소의 레이아웃에 대 한 초안 디자인을 만듭니다. 이 감지기의 제조 업체에 디자인을 제출 합니다.
   2. 제조 업체에서 피드백, 트랜스듀서 주파수 특성을 형상 (그림 2) 상세를 포함 하는 사용자 정의 프로브에 대 한 자세한 디자인을 만듭니다.
      참고: 일반적으로, 사용자 정의 프로브 제조 업체 수 있습니다 디자인 전자 시스템, 프로브 하우징 및 초음파 이미징 시스템의 특정 형식에 대 한 호환성에 대 한 프로브 커넥터. 제조 업체는 128 요소 집합 이미징 시스템 초음파에 의해 해결 되었습니다 확인 하는 작업 모드 스위치 (하드웨어)를 포함할 수도 있습니다. 이미징 모드에서 중앙 배열 제시 된다; 추적 모드에서 측면 배열 해결 됩니다.
2. 추적 바늘
   1. 선단부에서 Fabry Pérot 캐비티와 단일 모드 광섬유를 구성 하는 광섬유 초음파 고래의 선택 (외경 (OD): 150 µ m).
      참고: 넘나드는 선단부에서 Fabry Pérot 캐비티와 단일 모드 광섬유를 구성 하는 (OD: 150 µ m), 상업적으로 사용할 수 있습니다. 선단부에 인접, 통신에 자주 사용 되는 광섬유는 클 래 딩 층 (OD: 125 µ m), 버퍼 레이어 (OD: 250 µ m), 그리고 자 켓 (OD: 900 µ m).
   2. 메스를 사용 하 여, 부분적으로 고래의 바늘 캐 뉼 러 안에 들어갈 수 있는 때까지 버퍼 레이어를 노출 하는 원심 끝 가까이 섬유 광섬유 고래의의 길이 따라 900 마이크로미터 재킷을 제거 합니다.
      참고: 기계적 견고성에 대 한 유용 보호 버퍼 레이어/Luer 커넥터 근은 섬유 광섬유 케이블의 섹션에 재킷을 유지 합니다. 재킷, 바늘 캐 뉼 러에 의해 보호 됩니다 전에 제거 되는 섬유의 연약한 부분 처리 처리.
   3. 가로로 단계로 수동 가로 번역, 의료 바늘을 부착 하 고 스테레오 현미경, 현미경 수평으로 정렬 하 고 바늘에 수직의 광 축과 바늘 끝을 시각화. 필요한 경우, 회전 축에 대 한 바늘 바늘의 경사 표면을 현미경으로 볼 수 있도록.
   4. 현미경에 비추어 바늘의 선단부 삽입 Tuohy Borst 수급 어댑터의 정 맥을 통해 고 바늘의 루어 커넥터를 통해 광섬유 초음파 수신기는 고래의의 감지 영역 될 때까지 그냥 바늘의 경사 표면에 인접. 이 단계에서 바늘에 안 빼 어댑터를 연결 합니다. 고래의 바늘 내의 그것의 운동을 피하기 위해 번역 단계 (polyimide 테이프 작품 잘)에 부착
   5. 장치 내에 바늘의 움직임을 피하기 위해 polyimide 테이프로 번역 단계에 고래의 부착
   6. 세로로 부착 20 microliter 아래쪽으로 직면 하는 팁과 수직 번역 단계를 플라스틱 및 둘 다 수평 및 수직 번역 단계를 사용 하 여 위치는 micropipette 팁 그것은 인접 한 광섬유 고래의 약 0.5 m m까지 선단부에 감지 영역에 인접.
   7. micropipette의 근 위 끝에 광학 접착제의 방울을 놓고 광섬유 초음파 수신기 micropipette 팁에서 직접적인 경로 허용 하도록 바늘을 조정 합니다.
   8. 다음 10 mL 주사기를 사용 하 여 점차적으로 지역 감지 또는 캐 뉼 러, 경색에 접착제를 적용 하지 않으려면 돌보는 광섬유 초음파 수신기에는 원심에서 접착제를 분배 하는 micropipette의 근 위 끝에 압력을 적용 하 고 광학 접착제 치료 될 때까지 바늘 팁 자외선 빛을 밝히는.

2. 시스템 통합

1. 그것의 광학 콘솔에는 고래의 연결 합니다.
   참고: 받은 압력에 비례 하는 아날로그 전압 신호를 제공 하는 광학 장치는 사용할 수 있는 상업적으로.
2. 사용자 정의 초음파 이미징 프로브 초음파 콘솔에 연결 합니다.
3. ^10,14를 추적 하기 위한 인터리브 인수 B 형태 초음파 이미지와 코딩 된 초음파 펄스를 수행 합니다. B 형태 초음파 이미지 수집, 수행 펄스-에코 송수신 중앙 배열 요소 시퀀스. 측면 배열 요소 또는 중앙 배열 요소 액세스 여부 제어 하드웨어 스위치를 사용 합니다.
4. 데이터 수집 (DAQ) 카드와 고래의 신호 및 초음파 전송의 시작에 따라 타이밍 신호 동시에 디지털화 합니다.
5. 프로세스와 펄스-에코에서 획득 한 신호 디스플레이 전송-받을 B 형태 초음파 이미지를 시퀀스. 또한, 처리 하 고 사용자 정의 프로브를 기준으로 광섬유 초음파 수신기 지역화 고래의 신호를 표시. 후자의 작업에 대 한 알고리즘 쌰 외에 의해 설명 되어 있습니다. ^{12 , 14}
6. 바늘 팁 위치 B 형태 초음파 이미지에 오버레이 합니다. 3D 추적 2D 초음파 이미지 디스플레이에 정보를 표시 하려면 (측면 및 깊이 좌표) 바늘 팁의 위치 십자가;로 나타날 수 있다 밖으로의 비행기 거리와는 이미징의 비행기, 크기와 색이이 십자가의 각각.

3. 전 임상 유효성 검사

1. 초음파 이미징 프로브에 스위치를 사용 하 여 동작 모드를 선택 합니다.
2. 사용자 정의 초음파 이미징 프로브를 초음파 젤을 추가 합니다.
3. 추가 물 양수를 모방 하 여 태아 초음파 팬텀을 준비 합니다.
4. B 형태 초음파 이미징 사용 하 여 삽입 대상으로 팬텀에 양수를 식별 합니다.
   참고: 삽입 대상 컨텍스트;에 따라 달라 집니다. 그것은 임상 절차, 또는 조직 영역을 모방 하는 이미징 팬텀에 지정 된 위치 중 진단 또는 치료에 대 한 조직의 특정 영역을 포함할 수 있습니다.
5. 삽입 대상 쪽으로 바늘을 삽입 합니다. 작동 모드 (이미징 및 추적) 번갈아 삽입, 사용자 정의 프로브에 스위치를 사용 하 여 지속적으로.

결과

동물 실험은 영국 홈 오피스 규정 및 작업의 동물 (과학적인 절차) 행위 (1986)에 대 한 지침에 따라 실시 했다. 양 동물 복지;에 관련 된 영국 본사 지침에 따라 지 내게 되었다 실험은 아래는 홈 오피스 프로젝트 라이센스 70/7408 "태아 치료 줄기 세포와 유전자 이동" 권리를 실시 했다. 양 실험에 대 한 윤리 승인 대학 대학 런던, 영국 및 동물 복지 윤리 검토 보드 왕 수의 대학에 의해 제공 되었다.

장소에서 윤리 승인, 임신 양 전 임상 vivo에서 유효성 검사를 위해 사용 되었다. 2 주 동안 자 호르몬 좌 약을 받은 후 암 했다 시간 배 란 유도 성관계 데이비드 외에 설명 된 대로. ³⁴ 에 130 일 임신의 한 임신 암은 굶 어 하룻밤 임신 동반자 암으로. 암은 thiopental 나트륨 20 mg k g^-1 와 유도 정 맥 전신 마 취 수술 그리고 호흡을 통해 삽 관 법 후 산소에 2-2.5 %isoflurane 유지 했다. 올바른 삽 관 법은 양측 폐에 귀를 기울이는 확인 됐다. 마 취는 각 막 반사의 평가 의해 확인 되었다. 산소 포화 혀 또는 귀에 채도 모니터를 사용 하 여 지속적으로 측정 했다. 와 암 세미-recundancy에 그녀의 뒤에 배치 되었다 nasogastric 튜브 위 내용물의 통과 쉽게 하기 위해 전달 되었습니다. 눈 윤 활 유는 그들을 계속 촉촉한 눈에 적용 되었습니다. 털의 클리핑, 후 암의 복 부 피부 소독 제와 하 찮은 두 번 했다. 살 균 커플링 젤 복 부에 적용 된 그리고 초음파 검사 암³⁴ 의 임신 나이 확인 하 고 태아 거짓말을 평가 하기 위해 사용 되었다. 수술의 끝에 동물 고통 없이 살 thiopental 나트륨의 과다를 사용 하 여 (40 밀리 그램 킬로그램^-1 정 맥).

개업 (A.L.D.)를 대상으로 탯을 식별. 바늘은 자 궁 구멍에 삽입 하 고 팁 15 m m의 아웃-의-비행기 거리와 38 m m (그림 3)의 깊이 달성 하는 궤적을 따라 추적 했다. 기존의 바이 폴라 구동 (그림 3B)를 기준으로 7.5-fold 증가와 SNR을 향상 Golay 코딩. 3D 추적된 바늘 팁 위치 폭 비행기 밖으로 거리와 색상 이미징 (단계 2.6)의 지표 (그림 3C)을 나타내는 십자가 사용 하 여 2D 초음파 이미지에 중첩 되었다.

그림 1: 시스템 개요. 초음파 (미국) 이미징/추적 조사 2D 미국 이미징 및 3D 바늘 추적 할 수 있습니다. 추적 제어를 제공 하는 미국 스캐너에 의해 구동 요소 전송. 스위치의 두 가지 작동 모드 사이의 대체 트랜스듀서 요소 전자 선택 허용: 중앙 배열 이미징 및 측면 배열 추적. 20 G 바늘의 루멘 내 배치 섬유 광섬유 고래의 (FOH) 초음파 수신기 측면 배열에서 전송 받습니다. T/r: 전송/수신; LT: 선 트리거; FT: 프레임 트리거; PC: 개인용 컴퓨터; 데이터 수집: 데이터 수집 카드입니다. 이 그림 및 캡션 외. W. 쌰에서 허가로 재현 ¹⁴. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 2: 사용자 정의 초음파 프로브 이미징의 트랜스듀서 요소 레이아웃. 128 요소와 음향 렌즈 중앙 배열 이미지 수 있습니다. 행 마다 32 요소와 총에서 128 요소 측면 배열 3D 바늘 추적 가능 이 그림 및 캡션 외. W. 쌰에서 허가로 재현 ¹⁴. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 3: vivo에서추적 3d 삽입 바늘. (A) 추적 바늘 팁 위치 (서클: P1-P6) 임신 양의 자 궁 캐비티에 삽입 하는 동안 취득. (B) 추적 신호의 신호 대 잡음 비율 (SNRs) (영상 비행기: X = 0). 중앙 배열 인수 되었다 2D 미국 이미지에 추적 된 위치 3의 (C) 오버레이. 각 십자가의 엔드-투-엔드 길이 아웃-의-비행기 거리;에 대응 색상 (빨간색/노란색) 이미징 비행기의 측에 대응 했다. 주요 해 부 기능 설명 (오른쪽)으로 묘사 된다. S: 피부; PF: 경 피 적인 지방; UW: 자 궁 벽; 어: 양수; UC: 탯; 아버지: 태아 복 부입니다. 이 그림 및 캡션 외. W. 쌰에서 허가로 재현 ¹⁴. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

토론

여기에 우리가 보여 어떻게 3D 이미징 프로브 사용자 정의 초음파 초음파 추적을 수행할 수 있습니다 및 광섬유 고래의 바늘 통합. 임상 번역의 관점에서이 연구에서 개발 된 사용자 지정 검색의 몇 가지 측면은 매력적 이다. 그것의 소형 사이즈는 잘 부피가 3D 이미징 프로브를 기동 시키기가 어려운는 겨드랑이 같은 작은 공간에서 사용에 적합 합니다. 여기에 제시 된 3 차원 초음파 추적의 구현에의 한 제한 수동 전환 했다는 이미징 및 추적 모드 사이의 대체 하는 데 필요한입니다. 미래에 구현,이 스위칭 할 수 있었다 초음파 이미징 시스템에 의해 직접.

광섬유 고래의 추적 초음파 바늘에 적합 합니다. 소형화와 유연성의 그것의 높은 학위의 통합 측면 소형화와 의료 기기에 대 한 허용. 그것의 광범위 한 주파수 대역폭¹⁶ 다른 임상 초음파 프로브와의 호환성에 대 한 수 있습니다. 또한, 그것의 omnidirectionality¹⁶ 다양 한 각도에 삽입 되는 바늘을 추적 할 수 있습니다. 마지막으로, EM 필드와 금속 개체에서 소요의 면역은 임상에 더 적합 한 설정 그들 추적 달리 합니다. 초음파 검출 감도 향상을 달성 하기 위해 렌즈-오목 Fabry Pérot 구멍¹⁷미래 사용 될 수 있습니다. 궁극적으로, 초음파 추적 다른 modalities 반사율 분광학^{18,,1920,,2122,} 등 단일 광 섬유에 결합 될 수 있습니다. ²³, 라만 분광학²⁴, 광학 일관성 단층 촬영^25,26, 그리고 photoacoustic^27,,2829,30 이미징 ^{, 31 , 32 , 33}.

초음파 추적은 초음파 이미징와 공유 하는 제한이 있습니다. 첫째, 조직 heterogeneities는 부정적인 영향을 미칠 초음파 추적; 조직의 소리의 속도 있는 공간 변이 이전 연구¹⁴수치 시뮬레이션으로 같이 추적 정확도 줄일 것 이다. 두 번째, 해 부 구조는 초음파 파도, 반사와 같은 뼈 구조 또는 공기 구멍, 아마 초음파 추적와 호환. 미래 연구, 3D 회전 C 팔 계산 x 선 단층 촬영, 같은 다른 이미지 형식으로 얻은 바늘 팁 위치 vivo에서다른 유형의 조직에 3 차원 초음파 추적의 정확도 평가 하기 위해 사용 될 수 있습니다.

초음파 이미지에 최근 전진에도 불구 하 고 정확한 추적 및이 양식 적임의 지도 하에 의료 기기의 효율적인 조작, 심지어 전문가 실무자에 대 한 도전 남아 있다. 외부 초음파 프로브와 의료 기기 간의 활성 통신 같이, 수 향상 시킬 절차의 안전 및 효율성. 이러한 개선 수 크게 중재 통증 관리에 대 한 척추 삽입 등의 여러 임상 상황에서 x 선 fluoroscopy 대신 초음파 이미징의 도입을 촉진 한다. 이 연구에서 개발 된 시스템 초소형 초음파 프로브와 3 차원 초음파 추적 및 2D 초음파 이미징 있습니다. 그것은 현재 임상 워크플로 내에서 바늘 팁의 정확한 지역화를 제공 함으로써 초음파 유도 최소한 침략 적 절차를 향상 시킬 수 있습니다.

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ultrasound imaging system	BK ultrasound (ultrasonix)	SonixMDP
Custom ultrasound probe	Vermon
Spinal needle	Terumo		20 gauge
Fibre-optic hydrophone	Precision Acoustics
Fibre-optic stripping tool	Thorlabs	FTS4
Stereo microscope	Leica Microsystems	Z16APO
Tuohy-Borst Sidearm adapter	Cook Medical	PTBYC-RA
Pipette	Eppendorf		100 mL
Micropipette tip	Eppendorf		20 µL
Ultraviolet optical adhesive	Norland Products	NOA81
Syringe	Terumo		10 mL
Ultraviolet light source	Norland Products	Opticure 4 Light Gun
Data acquisiton card	National Instruments	USB-5132
Articulated arm	CIVCO	811-002
Thiopental sodium	Novartis Animal Health UK		Thiovet
Isoflurane	Merial Animal Health		Isoflurane-Vet
Ocular lubricant	Allergan, Marlow, UK		Lacri-Lube
Skin lubricant	Adams Healthcare, Garforth, UK		Hibitane 2%