Name: three-dimensional ultrasonic needle tip tracking with a fiber-optic ultrasound receiver
Uploaded: 2018-08-21T13:30:00
Duration: 4 min 33 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver at JoVE.com

Dit werk werd gesteund door een innovatieve Engineering voor gezondheid award door de Wellcome Trust (nr. WT101957) en de Engineering and Physical Sciences Research Raad (EPSRC) (nr. NS/A000027/1), door een centrum voor Wellcome/EPSRC award [203145Z/16/Z & NS/A000050/1], door een Starting Grant van de European Research Council (Grant nr. ERC-2012-STG, voorstel 310970 MOPHIM), en door een EPSRC eerste Grant (nr. EP/J010952/1). ALD wordt ondersteund door de UCL/UCLH NIHR uitgebreide Biomedical Research Centre. De auteurs zijn dankbaar voor het personeel van de Royal Veterinary College voor hun waardevolle hulp bij de in vivo experimenten.

1. de systeemhardware
<ol><li>De klinische aangepaste echografie imaging sonde<ol>
<li>Een ontwerp-ontwerp voor de indeling van de transducer elementen in de aangepaste sonde die centrale en zijkant arrays bevat maken Indienen van het ontwerp aan de fabrikant van deze sonde.</li>
		<li>Met feedback van de fabrikant, maken een gedetailleerd ontwerp voor de aangepaste sonde waarin verfijningen aan de transducer frequentie kenmerken en geometrieën (Figuur 2). Opmerking: Normaal gesproken, de fabrikant van de aangepaste sonde kunt ontwerpen de elektronische systemen, de behuizing van de sonde en de sonde connector voor compatibiliteit voor een bepaald type van ultrageluid imaging systeem. De fabrikant kan ook een operatie modus-schakelaar (hardware) om te bepalen welke set van 128 elementen werd aangepakt door de echografie imaging systeem bevatten. In de grafische modus, is de centrale array gericht; in tracking modus, worden de kant arrays behandeld.</li>
	</ol>
</li>
	<li>De naald volgen<ol>
<li>Selecteer een glasvezel echografie hydrofoon die bestaat uit een enkelvoudige modus optische vezel met een spouw van de Fabry-Pérot DISTAAL eind (buitendiameter (OD): 150 µm). Opmerking: Hydrophones die bestaan uit een enkelvoudige modus optische vezel met een spouw van de Fabry-Pérot DISTAAL eind (OD: 150 µm), commercieel beschikbaar zijn. Proximale aan het distale einde, optische vezels die vaak voor telecommunicatie gebruikt worden hebben een laag bekleding (OD: 125 µm), een laag van de buffer (OD: 250 µm), en een jas (OD: 900 µm).</li>
		<li>Met behulp van een scalpel, gedeeltelijk verwijderen van de 900 micrometer jas langs de lengte van de fiber optic hydrofoon, dicht bij de distale daartoe, bloot de buffer laag totdat de hydrofoon binnen de canule naald past. Opmerking: Voor de mechanische robuustheid is het nuttig te behouden van de beschermende buffer laag/jasje op de sectie van de optische glasvezelkabel thats proximale aan de Luer-connector. Zorg met behandeling van de fragiele sectie van de vezel, nadat de jas is verwijderd, voordat het wordt beschermd door de naald canule.</li>
		<li>De medische naald horizontaal naar een handmatige horizontale vertaling fase brengt en visualiseren van de naald-tip met een stereomicroscoop, met de optische as van de Microscoop horizontaal uitgelijnd en loodrecht op de naald. Indien nodig, draaien de naald om zijn as, zodat het oppervlak van de schuine kant van de naald kan worden gezien met de Microscoop.</li>
		<li>Invoegen met het distale uiteinde van de naald met het oog op de Microscoop, de ontvanger van de glasvezel echografie via de canule van een pistool Tuohy-Borst adapter en vervolgens via de Luer-connector van de naald tot de sensing regio van de hydrofoon gewoon is proximale op het oppervlak van de schuine kant van de naald. In dit stadium moet de pistool-adapter niet worden aangesloten op de naald. Brengt de hydrofoon naar het toneel van de vertaling (polyimide tape werkt goed) voor het voorkomen van de verplaatsing binnen de naald.</li>
		<li>Brengt de hydrofoon naar het werkgebied van de vertaling met polyimide tape om te voorkomen dat de beweging van het apparaat binnen de naald.</li>
		<li>Verticaal affix een 20-microliter Pipetteer naar de verticale vertaling fase met het topje naar beneden en gebruiken beide de fasen van de vertaling van de horizontale en verticale positie van de micropipet tip totdat het aangrenzende aan de glasvezel hydrofoon en ongeveer 0,5 mm proximale aan de sensing regio DISTAAL eind.</li>
		<li>Breng een druppel van optische lijm aan het proximale einde van de micropipet en de naald zodat een directe pad van de micropipet-tip naar de glasvezel echografie-ontvanger aan te passen.</li>
		<li>Gebruik vervolgens een 10 mL spuit toe te passen druk aan het proximale einde van de micropipet geleidelijk de lijm van de distale afzien in de ontvanger van de glasvezel echografie, verzorgen om te voorkomen dat de lijm op de regio sensing- of occluding van de canule, toe te passen en verlicht het puntje van de naald met ultraviolet licht totdat de optische lijm is uitgehard.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. de systeemintegratie
<ol><li>De hydrofoon verbinden met de optische console. Opmerking: Optische consoles waarmee een analoge spanning signaal verhouding tot de ontvangen druk zijn commercieel beschikbaar.</li>
	<li>Verbinding maken met de aangepaste echografie imaging sonde naar de echografie-console.</li>
	<li>Uitvoeren van afwisselende overnames van B-modus echografie beelden en gecodeerde ultrasone pulsen voor het bijhouden van10,14. Voor B-modus echografie Beeldacquisitie, verrichten pulse-echo sequenties met de centrale Arrayelementen verzenden-ontvangen. Gebruik de schakeloptie van de hardware te controleren of de matrixelementen kant of de centrale matrixelementen worden benaderd.</li>
	<li>Digitaliseren de hydrofoon signalen en de timing-signalen volgens het begint van echografie uitzendingen tegelijkertijd met een gegevenskaart acquisitie (DAQ).</li>
	<li>Proces en weergave van de signalen van de pulse-echo verworven ontvangen verzenden-sequenties, om te verkrijgen B-modus echografie beelden. Daarnaast verwerken en weergeven van de hydrofoon signalen naar het lokaliseren van de glasvezel echografie-ontvanger ten opzichte van de aangepaste sonde. Voor de laatste taak, worden de algoritmen beschreven door Xia et al. 12 , 14
</li>
	<li>Bedekken de naald tip locaties op de B-modus echografie beelden. Als u wilt weergeven van 3D trackinginformatie naar een 2D echografie beeldweergave, kan de positie van de naald tip (laterale en diepte coördinaten) worden aangegeven met een kruisje; de uit-van-plane afstand en de zijkant van de beeldvorming vliegtuig, met de grootte en de kleur van dit Kruis, respectievelijk.</li>
</ol>3. preklinische validatie
<ol><li>Selecteer de bewerkingsmodus met behulp van de schakelaar op de echografie imaging sonde.</li>
	<li>Ultrageluid-gel toevoegen aan de aangepaste echografie imaging sonde.</li>
	<li>Bereiden een foetale echografie phantom door toevoeging van water om na te bootsen vruchtwater.</li>
	<li>De beeldvorming van de echografie B-modus vast te stellen welke het vruchtwater in de phantom als het doelwit van de invoegpositie. Opmerking: De plaatsingskosten doelstelling zal afhangen van de context; het kan onder meer van een bepaald deel van het weefsel voor diagnose of therapie tijdens een klinische procedure of een aangewezen locatie in een imaging phantom na te bootsen van een weefsel regio.</li>
	<li>Plaats de naald richting van het doel van de invoegpositie. Tijdens het inbrengen, afwisselend bewerkingsmodi (imaging en tracking) continu gebruik maakt van de schakelaar op de aangepaste sonde.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Chin, K., Perlas, A., Chan, V., Brull, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Needle+visualization+in+ultrasound-guided+regional+anesthesia:+challenges+and+solutions.">Needle visualization in ultrasound-guided regional anesthesia: challenges and solutions.</a> Reg. Anesth. Pain Med. 33 (6), 532-544 (2008).</li><li>Sridhar, A. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image-guided+robotic+interventions+for+prostate+cancer.">Image-guided robotic interventions for prostate cancer.</a> Nat. Rev. Urol. 10, 452-462 (2013).</li><li>Daffos, F., Capella-Pavlovsky, M., Forestier, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fetal+blood+sampling+during+pregnancy+with+use+of+a+needle+guided+by+ultrasound:+A+study+of+606+consecutive+cases.">Fetal blood sampling during pregnancy with use of a needle guided by ultrasound: A study of 606 consecutive cases.</a> Am. J. Obstet. Gynecol. 153 (6), 655-660 (1985).</li><li>Hebard, S., Graham, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Echogenic+technology+can+improve+needle+visibility+during+ultrasound-guided+regional+anesthesia.">Echogenic technology can improve needle visibility during ultrasound-guided regional anesthesia.</a> Reg. Anesth. Pain Med. 36 (2), 185-189 (2011).</li><li>Abayazid, M., Vrooijink, G. J., Patil, S., Alterovitz, R., Misra, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+evaluation+of+ultrasound-guided+3D+needle+steering+in+biological+tissue.">Experimental evaluation of ultrasound-guided 3D needle steering in biological tissue.</a> Int. J. Comput. Assist. Radiol. Surg. 9 (6), 931-939 (2014).</li><li>Nikolov, S. I., Jorgen, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Precision+of+needle+tip+localization+using+a+receiver+in+the+needle.">Precision of needle tip localization using a receiver in the needle.</a> IEEE Int Ultrason Symp. , (2008).</li><li>Mung, J., Vignon, F., Jain, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+non-disruptive+technology+for+robust+3D+tool+tracking+for+ultrasound-guided+interventions.">A non-disruptive technology for robust 3D tool tracking for ultrasound-guided interventions.</a> MICCAI 2011. , 153-160 (2011).</li><li>Guo, X., Tavakoli, B., Kang, H. J., Kang, J. U., Etienne-Cummings, R., Boctor, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+active+ultrasound+element+for+catheter+tracking.">Photoacoustic active ultrasound element for catheter tracking.</a> Proc. SPIE. 8943, 89435M (2014).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-plane+ultrasonic+needle+tracking+using+a+fiber-optic+hydrophone.">In-plane ultrasonic needle tracking using a fiber-optic hydrophone.</a> Med. Phys. 42 (10), 5983-5991 (2015).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coded+excitation+ultrasonic+needle+tracking:+An+in+vivo+study.">Coded excitation ultrasonic needle tracking: An in vivo study.</a> Med. Phys. 43 (7), 4065-4073 (2016).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interventional+photoacoustic+imaging+of+the+human+placenta+with+ultrasonic+tracking+for+minimally+invasive+fetal+surgeries.">Interventional photoacoustic imaging of the human placenta with ultrasonic tracking for minimally invasive fetal surgeries.</a> MICCAI 2015. , 371-378 (2015).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+Ultrasonic+Needle+Tracking+with+a+1.5D+Transducer+Array+for+Guidance+of+Fetal+Interventions.">3D Ultrasonic Needle Tracking with a 1.5D Transducer Array for Guidance of Fetal Interventions.</a> MICCAI 2016. , 353-361 (2016).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber+optic+photoacoustic+probe+with+ultrasonic+tracking+for+guiding+minimally+invasive+procedures.">Fiber optic photoacoustic probe with ultrasonic tracking for guiding minimally invasive procedures.</a> Proc. SPIE. 9539 95390K. 9539, 95390K (2015).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Looking+beyond+the+imaging+plane:+3D+needle+tracking+with+a+linear+array+ultrasound+probe.">Looking beyond the imaging plane: 3D needle tracking with a linear array ultrasound probe.</a> Sci. Rep. 7, 3674-3682 (2017).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+Needle+Tracking+with+a+Fibre-Optic+Ultrasound+Transmitter+for+Guidance+of+Minimally+Invasive+Fetal+Surgery.">Ultrasonic Needle Tracking with a Fibre-Optic Ultrasound Transmitter for Guidance of Minimally Invasive Fetal Surgery.</a> MICCAI 2017. , 637-645 (2017).</li><li>Morris, P., Hurrell, A., Shaw, A., Zhang, E., Beard, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Fabry-P&#233;rot+fiber-optic+ultrasonic+hydrophone+for+the+simultaneous+measurement+of+temperature+and+acoustic+pressure.">A Fabry-P&#233;rot fiber-optic ultrasonic hydrophone for the simultaneous measurement of temperature and acoustic pressure.</a> J. Acoust. Soc. Am. 125 (6), 3611-3622 (2009).</li><li>Zhang, E. Z., Beard, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characteristics+of+optimized+fiber-optic+ultrasound+receivers+for+minimally+invasive+photoacoustic+detection.">Characteristics of optimized fiber-optic ultrasound receivers for minimally invasive photoacoustic detection.</a> Proc. SPIE. 9323, 932311 (2015).</li><li>Desjardins, A. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epidural+needle+with+embedded+optical+fibers+for+spectroscopic+differentiation+of+tissue:+ex+vivo+feasibility+study.">Epidural needle with embedded optical fibers for spectroscopic differentiation of tissue: ex vivo feasibility study.</a> Biomed. Opt. Exp. 2 (6), 1452-1461 (2011).</li><li>Desjardins, A. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Needle+stylet+with+integrated+optical+fibers+for+spectroscopic+contrast+during+peripheral+nerve+blocks.">Needle stylet with integrated optical fibers for spectroscopic contrast during peripheral nerve blocks.</a> J. Biomed. Opt. 16 (7), 077004 (2011).</li><li>Rathmell, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+the+Epidural+Space+with+Optical+Spectroscopy:+An+In+Vivo+Swine+Study.">Identification of the Epidural Space with Optical Spectroscopy: An In Vivo Swine Study.</a> Anesthesiology. 113 (6), 1406-1418 (2010).</li><li>Balthasar, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+Detection+of+Vascular+Penetration+during+Nerve+Blocks:+An+in+vivo+Human.">Optical Detection of Vascular Penetration during Nerve Blocks: An in vivo Human.</a> Reg. Anesth. Pain Man. 37 (1), 3-7 (2012).</li><li>Brynolf, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+Detection+of+the+Brachial+Plexus+for+Peripheral+Nerve+Blocks:+An+in+vivo+Swine+Study.">Optical Detection of the Brachial Plexus for Peripheral Nerve Blocks: An in vivo Swine Study.</a> Reg. Anesth. Pain Man. 36 (4), 350-357 (2011).</li><li>Soto-Astorga, R. P., West, S. J., Putnis, S., Hebden, J. C., Desjardins, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epidural+catheter+with+integrated+light+guides+for+spectroscopic+tissue+characterization.">Epidural catheter with integrated light guides for spectroscopic tissue characterization.</a> Biomed. Opt. Express. 4 (11), 2619-2628 (2013).</li><li>Anderson, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Raman+Spectroscopy+Differentiates+Each+Tissue+From+the+Skin+to+the+Spinal+Cord:+A+Novel+Method+for+Epidural+Needle+Placement?.">Raman Spectroscopy Differentiates Each Tissue From the Skin to the Spinal Cord: A Novel Method for Epidural Needle Placement?.</a> Anesthesiology. 125 (4), 793-804 (2016).</li><li>Xie, Y., Bonin, T., L&#246;ffler, S., H&#252;ttmann, G., Tronnier, V., Hofmann, U. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronal+in+vivo+forward-imaging+of+rat+brain+morphology+with+an+ultra-small+optical+coherence+tomography+fiber+probe.">Coronal in vivo forward-imaging of rat brain morphology with an ultra-small optical coherence tomography fiber probe.</a> Phys. Med. &amp; Biol. 58 (3), 555-568 (2013).</li><li>Xie, Y., Harsan, L. A., Bienert, T., Kirch, R. D., Von Elverfeldt, D., Hofmann, U. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Qualitative+and+quantitative+evaluation+of+in+vivo+SD-OCT+measurement+of+rat+brain.">Qualitative and quantitative evaluation of in vivo SD-OCT measurement of rat brain.</a> Biomed. Opt. Express. 8 (2), 593-607 (2017).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+characteristics+of+an+interventional+multispectral+photoacoustic+imaging+system+for+guiding+minimally+invasive+procedures.">Performance characteristics of an interventional multispectral photoacoustic imaging system for guiding minimally invasive procedures.</a> J. Biomed. Opt. 20 (8), 086005 (2015).</li><li>Mari, J. -. M., Xia, W., West, S. J., Desjardins, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interventional+multispectral+photoacoustic+imaging+with+a+clinical+ultrasound+probe+for+discriminating+nerves+and+tendons:+an+ex+vivo+pilot+study.">Interventional multispectral photoacoustic imaging with a clinical ultrasound probe for discriminating nerves and tendons: an ex vivo pilot study.</a> J. Biomed. Opt. 20 (11), 110503 (2015).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+interventional+multispectral+photoacoustic+imaging+platform+for+the+guidance+of+minimally+invasive+procedures.">An interventional multispectral photoacoustic imaging platform for the guidance of minimally invasive procedures.</a> Proc. SPIE. 9539, 95390D (2015).</li><li>Xia, W., West, S. J., Nikitichev, D. I., Ourselin, S., Beard, P. C., Desjardins, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interventional+multispectral+photoacoustic+imaging+with+a+clinical+linear+array+ultrasound+probe+for+guiding+nerve+blocks.">Interventional multispectral photoacoustic imaging with a clinical linear array ultrasound probe for guiding nerve blocks.</a> Proc. SPIE. 9708, 97080C1-97080C6 (2016).</li><li>Gandhi, N., Allard, M., Kim, S., Kazanzides, P., Bell, M. A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic-based+approach+to+surgical+guidance+performed+with+and+without+a+da+Vinci+robot.">Photoacoustic-based approach to surgical guidance performed with and without a da Vinci robot.</a> J. Biomed. Opt. 22 (12), 121606 (2017).</li><li>Bell, M. A. L., Kuo, N. P., Song, D. Y., Kang, J. U., Boctor, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+visualization+of+prostate+brachytherapy+seeds+with+photoacoustic+imaging.">In vivo visualization of prostate brachytherapy seeds with photoacoustic imaging.</a> J. Biomed. Opt. 19 (12), 126011 (2017).</li><li>Piras, D., Grijsen, C., Sch&#252;tte, P., Steenbergen, W., Manohar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+needle:+minimally+invasive+guidance+to+biopsy.">Photoacoustic needle: minimally invasive guidance to biopsy.</a> J. Biomed. Opt. 18 (7), 070502 (2013).</li><li>David, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinically+applicable+procedure+for+gene+delivery+to+fetal+gut+by+ultrasound-guided+gastric+injection:+toward+prenatal+prevention+of+early-onset+intestinal+diseases.">Clinically applicable procedure for gene delivery to fetal gut by ultrasound-guided gastric injection: toward prenatal prevention of early-onset intestinal diseases.</a> Hum. Gene Ther. 17 (7), 767-779 (2006).</li></ol>

De auteurs verklaren dat er geen belangenconflicten.

Hier laten we zien hoe 3D Ultrasone bijhouden kan worden uitgevoerd met een aangepaste echografie imaging sonde en een glasvezel hydrofoon geïntegreerd binnen een naald. Vanuit een oogpunt van klinische vertaling zijn verscheidene aspecten van de aangepaste sonde ontwikkeld in deze studie aantrekkelijk. Het compacte formaat is geschikt voor gebruik in kleine ruimten, zoals de oksel waar manoeuvreren omvangrijk 3D-imaging sondes uitdagend is. Een beperking van de tenuitvoerlegging van het 3D Ultrasone volgen hier gepresenteerd is dat handmatig schakelen moest afwisselend imaging en bijhouden standen. Implementaties, deze omschakeling in de toekomst kan gebeuren rechtstreeks door de echografie imaging systeem.
De glasvezel hydrofoon is goed geschikt voor ultrasone naald bijhouden. De hoge mate van miniaturisatie en flexibiliteit zorgen voor de integratie daarvan in medische hulpmiddelen met kleine laterale afmetingen. De brede frequentie bandbreedte16 zorgt voor compatibiliteit met verschillende klinische echografie sondes. Bovendien kunt zijn omnidirectionality16 voor het bijhouden van naalden die worden ingevoegd in een breed scala van hoeken. Tot slot maakt zijn immuniteit voor verstoringen van EM velden en metalen voorwerpen het meer geschikt voor klinische instellingen in tegenstelling tot EM bijhouden. Om te bereiken meer ultrasound detectie gevoeligheid, kan een plano-concaaf Fabry-Pérot holte in de toekomstige17worden gebruikt. Uiteindelijk, ultrasone bijhouden kan worden gecombineerd met andere modaliteiten in een interne optische vezel, zoals reflectie spectroscopie18,19,20,21,22, 23, Raman spectroscopie24, optische coherentie tomografie25,26en27,28,29,30 imaging photoacoustic , 31 , 32 , 33.
Ultrasone bijhouden heeft beperkingen die worden gedeeld met echografie beeldvorming. Eerst, weefsel heterogeniteiten negatieve invloed hebben op ultrasone bijhouden; ruimtelijke verschillen in de snelheid van geluid van weefsel zal dalen de nauwkeurigheid bijhouden, zoals aangetoond door numerieke simulaties in een eerdere studie14. Tweede, anatomische structuren die weerspiegelend te ultrasone golven, zoals benige structuren of lucht Holten, zijn waarschijnlijk niet compatibel met ultrasone bijhouden. Studies, de naald tip positie verkregen met andere beeldvormende modaliteiten, zoals 3D-rotatie C-arm berekend X-ray tomografie, kon in de toekomst wordt gebruikt ter beoordeling van de juistheid van 3D Ultrasone tracking in heterogene weefsels in vivo.
Ondanks de recente vooruitgang in echografie imaging blijven nauwkeurige bewegingen en efficiënte manipulatie van medische hulpmiddelen onder leiding van deze modaliteit uitdagend, zelfs voor ervaren beoefenaars. Actieve communicatie tussen externe echografie sondes en medische hulpmiddelen, kan zoals hier is afgebeeld, verbeteren procedurele veiligheid en efficiëntie. Deze verbeteringen kunnen goedkeuring voor echografie imaging in plaats van X-ray fluoroscopie in verschillende klinische contexten, zoals spinal invoegingen voor Interventionele pijnbeheersing sterk vergemakkelijken. Het systeem dat is ontwikkeld in deze studie maakt 3D Ultrasone bijhouden en 2D echografie imaging met een compacte ultrasone sonde. Het kon echografie-geleide minimaal invasieve procedures verbeteren door precieze lokalisatie van het uiteinde van de naald in de huidige klinische werkstroom.

Nauwkeurige en efficiënte lokalisatie van invasieve medische hulpmiddelen is zeer gewenst in vele echografie-geleide minimaal invasieve procedures. Deze procedures worden aangetroffen in een klinische context zoals regionale anesthesie en Interventionele pijn management1en Interventionele oncologie2, foetale geneeskunde3. Visualisatie van het medisch hulpmiddel-uiteinde kan worden uitdagende met echografie beeldvorming. Tijdens-plane invoegingen hebben naalden vaak slechte zichtbaarheid wanneer inbrengen hoeken steil zijn. Bovendien, tijdens de uit-van-plane invoegingen, de schacht van de naald kan worden geïnterpreteerd als de naald-tip. Wanneer de naald-tip niet corrosiebestendige zichtbaar is, kan het leiden tot complicaties door beschadiging van de structuren van de kritische weefsel.
Veel methoden zijn beschikbaar voor het lokaliseren van medische hulpmiddelen tijdens echografie imaging, maar een betrouwbare één die compatibel is met de huidige klinische werkstroom is zeer gewenst. Echogenic oppervlakken kunnen worden gebruikt ter verbetering van de zichtbaarheid tijdens steile hoek in-plane invoegingen4. Elektromagnetische tracking-systemen kunnen worden gebruikt tijdens de uit-van-plane invoegingen, maar elektromagnetisch veld storingen kunnen hun nauwkeurigheid ernstig aantasten. 3D echografie imaging kunt zichtbaarheid van medische hulpmiddelen in bepaalde hart- en foetale procedures verbeteren wanneer ze zijn omringd door vloeistoffen5. Echter, 3D echografie imaging is niet veel gebruikt voor de oriëntatie van de naald, gedeeltelijk als gevolg van de complexiteit verbonden met beeldinterpretatie.
Ultrasone bijhouden is een methode die blijkt een groot potentieel bestaat voor verbetering van de medische apparaat zichtbaarheid6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. Met ultrasone tracking heeft het medische apparaat een ingesloten ultrasound sensor of zender die actief communiceert met de externe echografie imaging sonde. De positie van het medisch hulpmiddel kan worden geïdentificeerd van het gemeten echografie tijd-van-vluchten tussen de ingesloten ultrasound sensor/zender en verschillende transducer elementen van de sonde. Tot op heden is ultrasone tracking beperkt-plane bijhouden, die heeft het klinische gebruik ervan zeer beperkt gebleven.
Hier is een demonstratie van hoe 3D Ultrasone tracking kan worden uitgevoerd met een aangepaste echografie imaging sonde en een glasvezel hydrofoon aangebracht binnen de canule van een naald wordt verstrekt (Figuur 1). Deze aangepaste sonde, die werd ontworpen door de auteurs en extern vervaardigd, bestaat uit een centrale matrix van transducer-elementen en vier kant matrices. De centrale array wordt gebruikt voor 2D echografie imaging; de arrays van de kant, breinaald voor 3D tip tracking in concert met de glasvezel echografie-ontvanger. Wordt aangetoond hoe de glasvezel echografie-ontvanger kan worden geplaatst en worden aangebracht binnen de canule naald, hoe de tracking-nauwkeurigheid van het systeem kan worden gemeten op de benchtop en hoe klinische validatie kan worden uitgevoerd.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ultrasound imaging system</td>
			<td>BK ultrasound (ultrasonix)</td>
			<td>SonixMDP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Custom ultrasound probe</td>
			<td>Vermon</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spinal needle&#160;</td>
			<td>Terumo</td>
			<td></td>
			<td>20 gauge</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fibre-optic hydrophone</td>
			<td>Precision Acoustics</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fibre-optic stripping tool&#160;</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FTS4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereo microscope&#160;</td>
			<td>Leica Microsystems&#160;</td>
			<td>Z16APO</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tuohy-Borst Sidearm adapter&#160;</td>
			<td>Cook Medical</td>
			<td>PTBYC-RA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette&#160;&#160;</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td></td>
			<td>100 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette tip&#160;</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td></td>
			<td>20 &#181;L</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultraviolet optical adhesive&#160;</td>
			<td>Norland Products</td>
			<td>NOA81</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>Terumo</td>
			<td></td>
			<td>&#160;10 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultraviolet light source&#160;</td>
			<td>Norland Products</td>
			<td>Opticure 4 Light Gun</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acquisiton card&#160;</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>USB-5132</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Articulated arm&#160;</td>
			<td>CIVCO</td>
			<td>811-002</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thiopental sodium&#160;</td>
			<td>Novartis Animal Health UK&#160;</td>
			<td></td>
			<td>Thiovet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>Merial Animal Health</td>
			<td></td>
			<td>Isoflurane-Vet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ocular lubricant</td>
			<td>Allergan, Marlow, UK</td>
			<td></td>
			<td>Lacri-Lube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Skin lubricant</td>
			<td>Adams Healthcare, Garforth, UK</td>
			<td></td>
			<td>Hibitane 2%</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

three-dimensional ultrasonic needle tip tracking with a fiber-optic ultrasound receiver

Echografie wordt vaak gebruikt voor leidende minimaal invasieve procedures, maar visualiseren van medische hulpmiddelen is vaak een uitdaging met deze beeldvorming modaliteit. Wanneer visualisatie verloren gaat, kan het medische apparaat trauma aan kritische weefsel structuren. Hier wordt een methode voor het bijhouden van de naald tip tijdens echografie afbeelding geleide procedures gepresenteerd. Deze methode omvat het gebruik van een glasvezel echografie-ontvanger die is aangebracht binnen de canule van een medische naald corrosiebestendige communiceren met de externe ultrasone sonde. Deze aangepaste sonde bestaat uit een matrix van de elementen centraal transducer en kant element arrays. Naast conventionele tweedimensionale (2D) B-modus echografie imaging geboden door de centrale array, wordt driedimensionale (3D) naald tip bijhouden verzorgd door de kant arrays. Voor B-modus echografie imaging, wordt een opeenvolging van de standaard transmit-receive met elektronische beamforming uitgevoerd. Voor ultrasone volgen, Golay-gecodeerd echografie overbrengingen van de 4 kant arrays worden ontvangen door de sensor hydrofoon, en vervolgens de ontvangen signalen zijn gedecodeerde te identificeren van de naald tip van ruimtelijke locatie met betrekking tot de beeldvorming van de echografie sonde. Als een voorafgaande validatie van deze methode, werden inlassingen uit de naald/hydrofoon paar uitgevoerd in klinisch realistische contexten. Deze roman echografie imaging/tracking methode is compatibel met de huidige klinische werkstroom, en het zorgt voor een betrouwbare apparaat opvolging tijdens in-plane en uit-van-plane naald invoegingen.

Het dierlijke experiment werd uitgevoerd overeenkomstig de UK Home Office verordeningen en de richtlijnen voor de werking van dieren (wetenschappelijke Procedures) Akte (1986). De schapen was gehuisvest overeenkomstig UK Home Office richtsnoeren met betrekking tot het welzijn van dieren; de experimenten werden uitgevoerd onder de Home Office Project License 70/7408 getiteld "Prenatale behandeling met stamcellen en genenoverdracht". Ethiek goedkeuring voor schapen experimenten werd verzorgd door het University College London, Verenigd Koninkrijk en het dierenwelzijn ethiek Review Boards van de Royal Veterinary College.
Met de goedkeuring van de ethiek in de plaats, werd een zwangere schaap voor preklinische in vivo validatie gebruikt. Na ontvangst intravaginal progesteron zetpillen voor 2 weken, waren ooien tijd-ting voor het opwekken van de eisprong, zoals beschreven door David et al. 34 op 130 dagen van de dracht, een zwangere ooi was uitgehongerd 's nachts met een zwangere metgezel ooi. De ooi vervolgens onderging narcose geïnduceerde intraveneus met thiopental natrium 20 mg kg-1 en bleef na intubatie via een ventilator met 2 tot 2,5% Isofluraan in zuurstof. Juiste intubatie werd bevestigd door te luisteren naar de longen bilateraal. Anesthesie werd bevestigd door de beoordeling van de cornea reflex. Zuurstof saturatie werd gemeten continu gebruik maakt van een verzadiging monitor op de tong of oor. De ooi stond op haar rug in semi-recundancy en een nasogastrische buis werd aangenomen om te verlichten van de passage van de maaginhoud. Een oogbeschadigingen en/of smeermiddel werd toegepast op de ogen hen om vochtig te houden. Na het knippen van het vlies was de buik van de ooi dubbele geschrobd met een ontsmettingsmiddel huid. Steriele koppeling gel werd toegepast op de buik en echografie onderzoek werd gebruikt om te bevestigen de gestational leeftijd van de ooi34 en te beoordelen van foetale leugen. Aan het einde van de operatie was het dier humane wijze worden afgemaakt met een overdosis van thiopental natrium (40 mg kg-1 intraveneus).
De navelstreng de beoefenaar (ald) geïdentificeerd als een doelwit. Een naald in de baarmoederholte werd opgenomen, en de tip was bijgehouden langs een traject dat een uit-van-plane afstand van 15 mm en een diepte van 38 mm (Figuur 3 bereikt). Golay codering verbeterd de SNR, met een verhoging van de 7.5-fold ten opzichte van conventionele bipolaire excitatie (figuur 3B). De 3D bijgehouden naald tip posities werden bedekt op de afbeelding van de 2D echografie kruisen met breedtes indicatieve van de uit-van-plane afstand en de kleuren van de beeldvorming (stap 2.6) indicatieve (Figuur 3 c).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig1.jpg"> Figuur 1: Systeemoverzicht. Een echografie (VS) imaging/tracking sonde voorziet zowel 2D beeldvorming van de VS en 3D naald bijhouden. Het is gedreven door een Amerikaanse scanner welk controle over de tracking biedt element overbrengingen. Een switch biedt de mogelijkheid voor de elektronische selectie van transducer elementen om te schakelen tussen twee bewerkingsmodi: imaging met de centrale array en tracking met kant matrices. Een fiber optic hydrofoon (FOH) echografie ontvanger, gepositioneerd binnen het lumen van een naald van 20G, ontvangt overbrengingen van de kant-arrays. T/R: verzenden/ontvangen; LT: lijn trigger; FT: frame trigger; PC: personal computer; DAQ: data-acquisitie kaart. Deze figuur en het bijschrift worden gereproduceerd met toestemming van Xia, W. et al. 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig2.jpg"> Figuur 2: Transducer element lay-out van de aangepaste echografie imaging sonde. Een centrale matrix met 128 elementen en een akoestische lens laat ons imaging. Kant arrays, met 32 elementen per rij en 128 elementen in totaal, inschakelen 3D naald bijhouden. Deze figuur en het bijschrift worden gereproduceerd met toestemming van Xia, W. et al. 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig3.jpg"> Figuur 3: Naald inbrengen met 3D volgen in vivo. (A) bijgehouden naald tip posities (cirkels: P1-P6) verkregen tijdens een invoeging in de holte van de baarmoeder van een zwangere schaap. (B) Signal-to-noise ratio's (SNRs) van de tracking-signalen (imaging vliegtuig: X = 0). (C) Overlay van 3 van de bijgehouden posities op een 2D beeld van de VS die werd overgenomen met de centrale array. De lengte van de end-to-end van elk kruis overeenkwam met de uit-van-plane afstand; de kleur (rood/geel) overeenkwam met de kant van de beeldvorming vliegtuig. Anatomische kenmerken worden afgebeeld met contouren (rechts). S: huid; PF: percutane vet; UW: baarmoeder muur; AF: vruchtwater; UC: navelstreng; FA: foetale buik. Deze figuur en het bijschrift worden gereproduceerd met toestemming van Xia, W. et al. 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver at JoVE.com

Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver

Driedimensionale ultrasone naald Tip Tracking met een glasvezel echografie-ontvanger

Nauwkeurig en efficiënt visualisatie van invasieve medische hulpmiddelen is uiterst belangrijk in vele echografie-geleide minimaal invasieve procedures. Hier wordt een methode voor het lokaliseren van de ruimtelijke positie van een naald tip ten opzichte van de echografie imaging sonde gepresenteerd.

Ultrasound is frequently used for guiding minimally invasive procedures, but visualizing medical devices is often challenging with this imaging modality. ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Synthesis of Phase-shift Nanoemulsions with Narrow Size Distributions for Acoustic Droplet Vaporization and Bubble-enhanced Ultrasound-mediated Ablation

Synthese van Phase-shift Nanoemulsions met smalle Grootte Uitkeringen voor akoestische Droplet-verdamping en Bubble-enhanced Ultrasound-gemedieerde Ablation

High-intensity  focused ultrasound (HIFU) is used clinically to thermally ablate tumors. To  enhance localized heating and improve thermal ablation in ...

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

Proces van het maken van drie-dimensionale Microstructuren behulp Verdamping van een Sacrificial Component

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material ...

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

Ultrasound snelheidsmeting in een Liquid Metal elektrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Experimenten op Ultrasoon smeren met behulp van een piëzo-elektrisch ondersteunde Tribometer en optische Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

Met behulp van Synchrotron Radiation Microtomografie Multi-scale Driedimensionale Microelectronic pakketten Onderzoek

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

Driedimensionale Particle Tracking Velocimetry voor Turbulence Applications: Case van een Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

Fiber Optic Distributed Sensoren voor Mapping Temperature Field High-resolution

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

Ultrasone vermoeidheid in de modus van de spanning-compressie testen

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on ...

A Pipette-Tip Based Method for Seeding Cells to Droplet Microfluidic Platforms

Een pipet-Tip gebaseerde methode voor Seeding cellen Droplet Microfluidic Platforms

Amongst various microfluidic platform designs frequently used for cellular analysis, droplet-microfluidics provides a robust tool for isolating and ...