Yüksek Yoğunluk Gerçek zamanlı izleme Ultrason (HIFU) Ablasyonu Odaklı<em&gt; İn Vitro</em&gt; Odaklı Ultrason Harmonik Hareket Görüntüleme kullanma Köpek karaciğerler (HMIFU)

Özet

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.

Özet

Odaklı Ultrason Harmonik Hareket Görüntüleme (HMIFU) gerçekleştirmek ve yüksek yoğunluklu (HIFU) ablasyon odaklanmış ultrason izleyebilirsiniz bir tekniktir. Bir salınım hareketi fonksiyon jeneratörü kullanılarak 25 Hz genlik modülasyonlu sinyal uygulayarak 93-elemanı ve 4.5 MHz merkez frekansı HIFU dönüştürücünün odağı oluşturulur. 68kPa tepe basıncı ile 64 eleman ve 2.5 MHz transdüser görüntüleme odaksal radyo frekans (RF) kanal verilerini elde etmek için HIFU transdüser merkezinde yer almaktadır. Bu protokol, in vitro olarak, köpek Karaciğerlerde 7 W akustik güç ile HIFU kullanan termal ablasyon gerçek zamanlı izleme tarif edilmektedir. HIFU tedavisi 2 dakika boyunca dokuya uygulanır ve ablasyon bölgesi 1000 kare / saniyeye kadar konuyu farklı açılardan ya da düzlem dalga görüntüleme kadar kullanarak gerçek zamanlı olarak görüntülü. RF kanal veri matrisi görüntü oluşturmak için seyrek bir matris ile çarpılır. Görüş yeniden alan wa ayrılan 90 ° olduğuA.Ş. ve düzlemsel dalga görüntüleme için 20 mm ve veri 80 MHz'de örneklenir. Rekonstrüksiyon 4.5 ekran kare hızında gerçek zamanlı görüntü için Grafiksel Processing Unit (GPU) üzerinde yapılır. Yeniden RF veri 1-D normalleştirilmiş çapraz-korelasyon fokal bölgesinde bulunan eksensel yer değiştirmeleri tahmin etmek için kullanılır. Odak derinliği tepe-tepe yer değiştirme büyüklüğü nedeniyle lezyonun oluşumuna doku sertleşme anlamına gelir ısı ablasyon sırasında azalır. Düzlem dalga için odak alanında deplasman sinyal-gürültü oranı (SNR _d) düzlem dalga görüntüleme gösteren dalga ayrılan nazaran 1.4 kat daha fazlaydı iyi deplasman dalga görüntüleme ayrılan daha HMIFU kalitesini haritalar üretmek gibi görünüyor.

Giriş

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.

Protokol

Bu protokol Columbia Üniversitesi Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Kurulu tarafından onaylanmıştır. Tüm veri toplama ve işleme Matlab ortamı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.

1. Deneysel Set-up

1. 90 dakika boyunca bir ex vivo köpek karaciğer örneği degas. Gazı alınmış fosfat tamponlu solüsyon (Şekil 1) ile dolu bir tank içinde, karaciğer örnek koyun. Karaciğer ekstremitelerde iğnelerle akustik emici karaciğer örneği düzeltildi.
2. 4.5 MHz merkezi frekans, 70 mm odak derinliği ve en (terapötik) 93-eleman yarım küre dizi HIFU transdüser merkezinde bulunan dairesel bir delikten 64 element, 0.32 mm pin, 2,5 MHz merkez frekansı aşamalı dizisi (görüntüleme) takın 1.7 mm x 0.4 mm odak boyutu ^11. Eş-eksenel hem dönüştürücüler hizalayın ve ayar vidası ile tedavi transdüser içine görüntüleme transdüser sabitleyin.
   1. Av ile HIFU dönüştürücüyü Kapaksoğumasını gazı alınmış su akan dolu poliüretan membran olume kontrollü. Bir bilgisayar kontrollü 3-D pozisyoner üzerindeki dönüştürücü düzeneğini monte edin.
3. 500 mV maksimum genliği ile 25 Hz genlik modülasyonlu sinüs dalga formu gönderen bir fonksiyon jeneratörü için HIFU dönüştürücüyü bağlayın. Yazılım Matlab kullanarak tam programlanabilir ultrason sistemine görüntüleme dönüştürücüyü bağlayın.
   Ultrason sistemi ile ilişkili bir yazılım ve Matlab ortamını kullanarak sisteme bağlı bilgisayarda yüklü olması gerekir: unutmayın. 50 dB RF amplifikatör ve eşleşen ağ HIFU dönüştürücü ve sırasıyla gücü yükseltmek ve empedans maç fonksiyon jeneratörü arasına yerleştirilmelidir.
4. Bu kökenli 128 hatları ve azimut yönü açısından 9,625 mm ve 90 ° 'lik bir mekansal adım radyal doğrultuda derin dizinin yüzeyinden 50 mm ve 40 mm başlayarak Matlab, bir polar grid oluşturma fo olanıraksayan dalganın ekü. Dizinin yüzeyinin arkasında uzaklaşan dalga 10.24 mm kaynağını (diyafram yarısı boyutunda) tanımlayın ve yanal yönde ortaladı.
   1. Geniş düzlem dalgası 64 hatları ile yanal doğrultuda 9,625 mm ve 20 mm'lik bir mekansal aşama eksenel yönde derin dizinin yüzeyinden 50 mm ve 40 mm başlayarak Matlab, Kartezyen ızgara oluşturun. Dizinin yüzeyinde düzlem dalganın kaynağı tanımlayın. Her ızgara, geri dizinin her öğesi için ızgara her noktasına kaynaktan zamanı hesaplamak ve.
5. Matlab komut penceresinde düzlem dalga görüntüleme için dalga görüntüleme ya da "ReconMat_PW" uzaklaşan için "ReconMat_DW" girin ve her grid için standart bir gecikme-ve-toplamı algoritması ile ilgili bir yeniden yapılanma matrisi oluşturmak için "Enter" tuşuna basın. Standart bazda her vektöre gecikme ve toplamlı algoritması uygulayın ve dışı sıfır Elemen almakElde edilen matris ¹¹ ts. İlgili yerde seyrek matris elde edilen matris elde sıfır olmayan unsurları ayrılamadı. Bilgisayarın sabit diskinde yeniden matrisi kaydedin.
   Not: sapma gösteren ve düzlemsel dalga yöntemleri iki ayrı rekonstrüksiyon matrisleri kullanın.
   1. GPU matrisine yeniden matrisi Cast. Matlab komut penceresi ve basın "Enter" üretici tarafından aşamalı dizi ile ilişkili ve verilen komut dosyası kullanarak ultrason kanal veri toplama için bir kurulum dosyası oluşturmak için düzlem dalga görüntüleme için dalga görüntüleme ya da "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_PW" uzaklaşan için "SetUpP4_2Flash_4B_streaming_DW" Enter ultrason sisteminin. Düzlem dalga görüntüleme için dalga görüntüleme ve "P4-2Flash_PlaneWave.mat" uzaklaşan kurulum dosyası "P4-2Flash_DivergingWave.mat" olarak adlandırın.
      Not: Bir ticari yazılım paketi, bilgisayar t yüklü olması gerekmektediro bir GPU matrisine yeniden seyrek matris attı.
6. Karaciğerin yüksek kare hızı ultrason veri toplama HIFU aynı anda başlar ve böylece harici tetikleyici kullanarak fonksiyon jeneratörü ile ultrason sistemini eşitleyin.
7. Matlab açın. B-mod görüntüleme kullanmak için ultrason sistemi üreticisi tarafından sağlanan kurulum komut "SetUpP4_2Flash_4B.m" çalıştırın. "P4-2Flash_4B_Bmode.mat": oluşturulan kurulum dosyasını adlandırın. "Sürecine .mat dosyasının Adı: '' VSX" komutunu ve kullanmak istenir, kurulum dosyası "P4-2Flash_4B_Bmode.mat" adını girin. Her iki dönüştürücüler Taşı ve aşındırılması için karaciğer hedeflenen bölgede onları konumlandırmak için bilgisayar ekranında beliren B-mod ekranı kullanabilirsiniz. Nedeniyle emilimi yüksek ultrason zayıflama önlemek için bölgeyi karaciğer yüzeyinin altında yaklaşık 1 cm hedefleyin. Bilgisayardaki karaciğer geleneksel B-mod görüntü kaydetme.
   Not:Burada her ablasyon için 3-D pozisyoner ile dönüştürücüleri hareket ettirerek iki karaciğer örneklerinde 11 farklı yerlerde HIFU ablasyonlarını.

2. Ultrason Veri Toplama

1. Matlab açın. "VSX" komutunu kullanın ve "sürecine .mat dosyasının Adı:" zaman istenir, düzlem dalga için dalga görüntüleme ya da "P4-2Flash_PlaneWave.mat" uzaklaşan kurulum dosyası "P4-2Flash_DivergingWave.mat" adını girin görüntüleme. HIFU başlatın ve hedeflenen bölgeye 2 dakika boyunca uygulayın.
2. Iraksak dalgaları kullanılarak 2 dakika boyunca saniyede 1000 kare RF kanalı verilerini edinin. Alternatif olarak, 2 dak kullanarak düzlem dalgaları sırasında saniyede 1.000 kare RF kanalı verilerini kazanır.
3. PCI Express kablo üzerinden ana bilgisayara her 200 kare verileri aktarın. Alternatif olarak, gerçek-zamanlı streaming için, uçak dalgaları ve transf kullanarak 2 dakika boyunca saniyede 167 kare RF kanalı veri eldebir ana bilgisayara veri her 2 kare er.
   Not: 200 kare seti ile görüntüleme yöntemleri her set arasında her ayarlanır ancak oluşturmak boşluklar içinde yüksek zamansal çözünürlük sağlar ve off-line işlem için uygundur. 167 fps'de görüntüleme yöntemi bir alt temporal çözünürlüğe sahip ama tüm ablasyon zaman içinde herhangi bir boşluk yaratmaz ve gerçek-zamanlı streaming için uygundur.
4. Matlab ile bir tek duyarlıklı GPU matris RF kanal veri matrisi Cast. Yeniden RF verileri ¹¹ elde etmek rekonstrüksiyon matris tarafından RF kanal veri matrisi çarpın.

3. Deplasman Görüntüleme

1. Matlab DSP Sistemi Araç Kutusu'nu kullanarak 4 MHz kesici frekansında bir ^6. derece Butterworth alçak geçirgen filtre oluşturun. 4,5 MHz HIFU bileşenini filtrelemek için yeniden RF verilerine bu alçak geçirgen filtre uygulayın.
2. 1-D normalize çapraz korelasyon kullanarak ardışık çerçeve arasındaki eksenel deplasman tahmin edinBir 3.1mm-pencere uzunluğu ve% 90 örtüşme ile.
3. Matlab DSP Sistemi Araç Kutusu'nu kullanarak 100 Hz kesici frekansında bir ^6. derece Butterworth alçak geçirgen filtre oluşturun. 50 Hz-titreşimli frekans bileşeni almak için Matlab zamansal deplasman verilerine bu alçak geçirgen filtre uygulayın.
4. -6 DB fokal bölge olarak faiz (ROI) bir bölge tanımlayın (1.7 x 0.4 mm su) ve 70 mm uzakta dönüştürücüsü yüzeyinden yer. Bu ROI deplasman verileri ayıklayın. Ortalama yer değiştirme ve ROI deplasman standart sapma arasındaki oran olarak ablasyon 2 dakika sonra fokal bölgede yer değiştirme sinyal-gürültü oranını (SNR _d) tahmin edin.
5. Deplasman matris verilerinden odak noktasında 50 Hz geçici yer değiştirme sinyali ayıklayın. Matlab duyulabilir ses haline odak noktasında geçici yer değiştirme sinyali dönüştürün.

Sonuçlar

HIFU ablasyon sırasında HMI deplasman gerçek-zamanlı streaming sapma gösteren ve düzlem dalga görüntüleme kullanılarak elde edilebilir. Şekil 2 HIFU ablasyon sırasında in vitro köpek karaciğerlerinde düzlem dalga görüntüleme kullanarak akustik radyasyon kuvvet kaynaklı deplasman gerçek zamanlı ekran gösteren bir video ekran yakalama . Değiştirmeler 4.5 Hz'lik bir görüntü kare hızında bilgisayar ekranında gerçek zamanlı olarak gönderilir. Pozitif yer değiş...

Tartışmalar

HIFU lezyonlarının Gerçek zamanlı izleme, uygun ve verimli bir lezyon teslimini sağlamak için önemlidir. Lezyon formları gibi, doku sertleşir ve uyarma altında hareket genliği azalır. Doku değiştirmesini uyaran bir akustik radyasyon yürürlükte doku sonuçları bir bölgede HIFU uygulanması. Yerinden göreceli değişim doku sertliği göreli bir değişim vekil olduğunu. Bu teknik, diğer ultrason tabanlı yöntemlerin aksine tedavi durmadan HIFU'nun lezyonu takip avantajını sunmaktadır. Bu ça...

Malzemeler

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