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

Dette arbeidet ble støttet av en nyskapende Engineering helse prisen av Wellcome Trust (nr. WT101957) og Engineering og Physical Sciences Forskningsrådet (EPSRC) (nr. NS/A000027/1), en Wellcome/EPSRC Centre prisen [203145Z/16/Z & NS/A000050/1], starter stipend fra europeiske Forskningsrådet (Grant nr. ERC-2012-StG, forslag 310970 MOPHIM), og en EPSRC første stipend (nr. EP/J010952/1). A.L.D. støttes av UCL/UCLH NIHR omfattende biomedisinsk forskning sentrum. Forfatterne er takknemlig til ansatte i Royal Veterinary College for sine verdifull hjelp med i vivo eksperimenter.

1. maskinvare
<ol><li>Klinisk egendefinerte ultralyd imaging sonde<ol>
<li>Opprette et utkast design for oppsettet svinger elementene i egendefinerte sonden som inkluderer sentrale og side matriser. Sender inn design til produsenten av denne sonde.</li>
		<li>Med tilbakemelding fra produsenten, kan du opprette en detaljert utforming for egendefinerte sonden som inkluderer forbedringer i svinger frekvens egenskaper og geometrier (figur 2). Merk: Vanligvis produsenten av egendefinerte proben kan utforme de elektroniske systemene, sonde bolig og sonde koblingen kompatibilitet for en bestemt type ultralyd imaging system. Produsenten kan også inkludere en operasjon modusbryteren (maskinvare) for å bestemme hvilke sett med 128 elementer ble behandlet av ultralyd imaging system. I tenkelig modus, er sentrale matrisen adressert; i sporing modus, er siden arrayene adressert.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Sporing nålen<ol>
<li>Velg en fiberoptisk ultralyd hydrophone som består av en enkelt optisk fiber med en Fabrys-Pérot hulrom på den klubbeformede enden (ytre diameter (OD): 150 µm). Merk: Hydrophones som utgjør et enkelt optisk fiber med en Fabrys-Pérot hulrom på den klubbeformede enden (OD: 150 µm), er tilgjengelig kommersielt. Proksimale til distale slutten, optiske fibre som ofte brukes for telekommunikasjon har en kledning lag (OD: 125 µm), et buffer-lag (OD: 250 µm), og en jakke (OD: 900 µm).</li>
		<li>Bruker en skalpell, delvis fjerne 900 mikrometer jakken langs fiber optisk hydrophone, nær den klubbeformede enden, å avdekke buffer laget til hydrophone får plass i p kanyle. Merk: For mekanisk robusthet er det nyttig å beholde den beskyttende buffer lag/jakken på delen av den fiberoptisk kabelen som proksimale til Luer-kontakten. Vær forsiktig med å håndtere den skjøre delen av fiber etter jakken er fjernet, før det er beskyttet av nålen kanyle.</li>
		<li>Påføre medisinsk nålen vannrett til en manuell horisontal oversettelse scene, og visualisere pinne-spissen med en stereo mikroskop, med den optiske aksen til mikroskopet justert horisontalt og vinkelrett på nålen. Eventuelt rotere nålen om sin akse slik at skråkant overflaten av nålen kan sees med mikroskopet.</li>
		<li>Med distale nålen i lys av mikroskopet, sette fiberoptisk ultralyd mottakeren via kanyle av en Tuohy-Borst Sidearm adapter og senere Luer kontakten på nålen før hydrophone sensing regionen er bare proksimale på skråkant overflaten av nålen. På dette stadiet, bør Sidearm kortet ikke være koblet til nålen. Påføre hydrophone til oversettelse scenen (polyimid (pi) tape fungerer bra) for å unngå sin bevegelse innenfor nålen.</li>
		<li>Påføre hydrophone til oversettelse scenen med polyimid (pi) tape for å unngå bevegelse av enheten i nålen.</li>
		<li>Loddrett påføre en 20-mikroliter Pipetter til loddrett oversettelse scenen med spissen vender nedover og bruke både vannrette og loddrette oversettelse etappene posisjon i brønnene tips til det er tilstøtende til fiberoptisk hydrophone og ca 0,5 mm proksimale til sensing regionen på den klubbeformede enden.</li>
		<li>Plasser en dråpe optisk lim den proksimale enden av brønnene og justere nålen å tillate en direkte fra brønnene spissen til fiberoptiske ultralyd mottakeren.</li>
		<li>Bruk deretter en 10 mL sprøyte gjelder trykket på den proksimale enden av brønnene å gradvis dispensere limet fra den distale i fiberoptisk ultralyd mottaker, ta vare for å unngå å bruke lim til sensing regionen eller skjule kanyle, og belyse pinne-spissen med ultrafiolett lys til optiske limet er herdet.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. systemintegrasjon
<ol><li>Koble til hydrophone til optiske konsollen. Merk: Optisk konsoller som gir en analog spenningen signalet proporsjonal mottatt press er tilgjengelige kommersielt.</li>
	<li>Koble den egendefinerte ultralyd imaging sonde ultralyd konsollen.</li>
	<li>Utføre sammenflettet oppkjøp av B-ultralyd bilder og kodet ultralyd pulser for sporing10,14. B-modus ultralyd bildeopptak, utføre puls-echo overføre-motta sekvenser med sentrale matriseelementene. Bruke maskinvarebryteren å kontrollere om siden matriseelementene eller sentrale matriseelementene åpnes.</li>
	<li>Digitalisere hydrophone signaler og tidtakersignaler ifølge starter i ultralyd overføringer samtidig med et datakort oppkjøp (DAQ).</li>
	<li>Prosessen og vise signalene kjøpt fra puls-ekko motta overfører-sekvenser, for å få B-ultralyd bilder. I tillegg, behandle og vise hydrophone signaler å lokalisere fiberoptisk ultralyd mottakeren i forhold til egendefinerte sonden. Siste aktiviteten er algoritmer beskrevet av Xia et al. 12 , 14
</li>
	<li>Overlappe nål tips plasseringene på B-modus ultralyd bildene. For å vise 3D-sporing informasjon på en 2D ultralyd bildevisning, kan posisjonen til pinne-spissen (lateral og dybde koordinater) angis med et kors. ut-av-plane avstand og side av avbilding fly, med størrelsen og fargen av dette kors, henholdsvis.</li>
</ol>3. pre-klinisk validering
<ol><li>Velge bruksmodus bryteren på ultralyd imaging sonden.</li>
	<li>Legge til ultralyd gel egendefinerte ultralyd imaging sonden.</li>
	<li>Forberede en fosterets ultralyd phantom ved å legge vann å etterligne amniotic væske.</li>
	<li>Med B-modus ultralyd imaging identifisere amniotic væske i phantom innsetting for målet. Merk: Innsetting målet avhenger på sammenheng; Det kan omfatte et bestemt område av vev for diagnose eller behandling under en klinisk prosedyre eller et angitt sted i en tenkelig phantom å etterligne en vev-regionen.</li>
	<li>Sett inn nålen mot innsetting målet. Under innsetting, veksle mellom operasjonsmodi (imaging og sporing) kontinuerlig bryteren på egendefinerte sonden.</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>

Forfatterne erklærer at det ikke er noen interessekonflikter.

Her viser vi hvordan 3D ultralyd sporing kan utføres med en egendefinert ultralyd imaging sonde og en fiberoptisk hydrophone integrert i en nål. Fra en klinisk oversettelse ståsted er flere aspekter av egendefinerte sonden utviklet i denne studien attraktive. Den kompakte størrelsen er velegnet for bruk i små områder som i armhulen der manøvrering store 3D bildeprodukter sonder er utfordrende. En begrensning av gjennomføringen av 3D ultralyd sporing presenteres her er at voltstyrke var pålagt å veksle mellom imaging og sporing moduser. I fremtidige implementeringer, denne vekslingen kan gjøres direkte av ultralyd imaging system.
Fiberoptisk hydrophone er godt egnet til ultralyd nål sporing. Dens høy grad av miniatyrisering og fleksibilitet gir sin integrering i medisinsk utstyr med små lateral dimensjoner. Brede frekvens båndbredde16 gir kompatibilitet med forskjellige kliniske ultralyd sonder. I tillegg gir sin omnidirectionality16 sporing pinne som settes inn på en rekke vinkler. Til slutt, immunitet til forstyrrelser fra EM felt og metallgjenstander gjør det mer egnet til kliniske innstillinger i motsetning til EM sporing. For å oppnå større ultralyd oppdagelsen følsomhet, kan en plano-konkave Fabrys-Pérot hulrom brukes i fremtidige17. Til slutt, ultralyd sporing kan kombineres med andre modaliteter i en enkelt optisk fiber som refleksjon spektroskopi18,19,20,21,22, 23, Raman spektroskopi24, optical coherence tomografi25,26og photoacoustic imaging27,28,29,30 , 31 , 32 , 33.
Ultralyd sporing har begrensninger som deles med ultralyd imaging. Først vil vev heterogeneities negativt påvirke ultralyd sporing. romlig variasjoner i hastigheten på lyden av vev vil redusere sporing nøyaktigheten, som demonstrert av numeriske simuleringer i en tidligere studie14. Andre, anatomiske strukturer som er svært reflekterende til ultralyd bølger, som benete strukturer eller luft hulrom, er sannsynligvis ikke kompatibel med ultralyd sporing. I fremtidige kan studier, nål tips posisjonen oppnådd med andre tenkelig modaliteter, slik som 3D roterende C-arm tomografi X-ray, brukes til å vurdere nøyaktigheten av 3D ultralyd sporing i heterogen vev i vivo.
Til tross for de siste fremskritt innen ultralyd imaging fortsatt presis sporing og effektiv manipulering av medisinsk utstyr under veiledning av denne modaliteten utfordrende, selv for ekspert utøvere. Aktiv kommunikasjon mellom eksterne ultralyd sonder og medisinsk utstyr, kan som vist her, forbedre fremgangsmåter for sikkerhet og effektivitet. Disse forbedringene kan forenkle innføringen av ultralyd imaging i stedet for X-ray fluoroscopy i flere kliniske sammenhenger, som spinal innsettinger for intervensjonsradiologi smertebehandling. Systemet utviklet i denne studien muliggjør 3D ultralyd sporing og 2D ultralyd imaging med en kompakt ultralyd probe. Det kan forbedre ultralyd-guidede minimal invasiv prosedyrer ved å gi nøyaktig lokalisering av pinne-spissen innenfor gjeldende kliniske arbeidsflyt.

Nøyaktige og effektive lokalisering av invasiv medisinsk utstyr er svært ønskelig i mange ultralyd-guidede minimal invasiv prosedyrer. Disse prosedyrene er oppstått i klinisk sammenhenger som regionale anestesi og intervensjonsradiologi smerte ledelse1, intervensjonsradiologi onkologi2og fetal medisin3. Visualisering av medisinsk utstyr spissen kan være utfordrende med ultralyd imaging. Under-plane innsettinger har nåler ofte dårlig sikt når innsettingspunktet vinkler er bratt. Videre under ut-av-plane innsettinger, kan p akselen feiltolkes som pinne-spissen. Når pinne-spissen ikke er ultrasonically synlig, kan det føre til komplikasjoner ved å skade viktige vev strukturer.
Det finnes mange metoder å lokalisere medisinsk utstyr under ultralyd imaging, men en pålitelig som er kompatibel med gjeldende kliniske arbeidsflyten er svært ønskelig. Echogenic flater kan brukes til å forbedre synligheten i bratt vinkel i flyet innsettinger4. Elektromagnetisk sporingssystemer kan brukes i ut-av-plane innsettinger, men elektromagnetiske felt forstyrrelser kan sterkt forringe nøyaktigheten. 3D ultralyd imaging kan forbedre synligheten av medisinsk utstyr i visse hjerte og fetal prosedyrer når de er omgitt av væsker5. Men brukes 3D ultralyd imaging mye ikke for p veiledning, delvis på grunn av kompleksiteten med bilde tolkning.
Ultralyd sporing er en metode som har vist stort potensial for å forbedre medisinsk utstyr synlighet6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. Med ultralyd sporing har medisinsk enheten en innebygd ultralyd sensoren eller sender som aktivt kommuniserer med eksterne ultralyd imaging sonde. Medisinsk utstyr plasseringen kan identifiseres fra den målte ultralyd tid av flyreiser mellom det innebygde ultralyd sensoren/senderen og forskjellige svinger av sonden. Hittil er ultralyd sporing begrenset-plane oppfølging, som har sterkt begrenset klinisk bruk.
Her en demonstrasjon av hvordan 3D ultralyd sporing kan utføres med en egendefinert ultralyd imaging sonde og en fiberoptisk hydrophone festet i kanyle et nåløye gis (figur 1). Denne egendefinerte sonde, som ble designet av forfatterne og produsert eksternt, består av en sentral elementmatrise svinger og fire siden matriser. Den sentrale tabellen brukes for 2D ultralyd imaging; side-matriser p for 3D tips sporing sammen med fiberoptisk ultralyd mottakeren. Det vises hvordan fiberoptisk ultralyd mottakeren kan plassere og festet i p kanyle, hvordan sporing nøyaktigheten av systemet kan være målt på Borstemmaskin og hvordan klinisk godkjenningen kan utføres.

<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

Ultralyd brukes ofte til guiding minimal invasiv prosedyrer, men visualisere medisinsk utstyr er ofte utfordrende med denne tenkelig modalitet. Når visualisering er tapt, kan medisinske enhet forårsake traume til kritisk vev strukturer. Her vises en metode for å spore pinne-spissen under ultralyd bildet-guidede prosedyrer. Denne metoden innebærer bruk av en fiberoptisk ultralyd-mottaker som er festet i kanyle av en medisinsk nål kommunisere ultrasonically med eksterne ultralyd probe. Denne egendefinerte sonde består av en matrise med sentrale transducer element og siden elementet matriser. I tillegg til konvensjonelle todimensjonal (2D) B-modus ultralyd imaging leveres av sentrale matrisen, gis tredimensjonale (3D) pinne-spissen sporing av side-matriser. For B-modus ultralyd imaging utføres en standard transmit-receive sekvens med elektronisk beamforming. For ultralyd sporing, Golay-kodet ultralyd sendinger fra 4 side arrayene er mottatt av hydrophone sensoren, og senere de mottatte signalene er dekodet å identifisere pinne-spissen romlige plassering i forhold til ultralyd imaging sonden. Som en foreløpig validering av denne metoden, ble innsettinger i p/hydrophone paret utført i klinisk realistisk sammenhenger. Denne romanen ultralyd imaging/sporing metoden er kompatibel med gjeldende kliniske arbeidsflyten, og det gir pålitelig enhet sporing under i-fly og ut-av-plane nål innsettinger.

Dyr eksperimentet ble gjennomført i henhold til UK Home Office regler og veiledning for drift av dyr (vitenskapelig prosedyrer) Act (1986). Sauen ble plassert UK Home Office retningslinjer knyttet til dyr velferd; forsøkene ble utført under Home Office Project lisens 70/7408 kalt "Prenatal terapi med stamceller og genoverføring". Etikk godkjenning for sauer eksperimenter ble levert av University College London, Storbritannia og dyr velferd etikk gjennomgang styrene i Royal Veterinary College.
Med etikk godkjenning på plass, ble en gravid sau for prekliniske i vivo validering brukt. Etter mottar intravaginal progesteron stikkpiller i 2 uker, var får tid-paret å indusere ovulation, som beskrevet av David et al. 34 på 130 dager av svangerskapet, en gravid ewe var utsultet over natten med en gravid følgesvenn ewe. Ewe deretter gjennomgikk generell anestesi indusert med thiopental natrium 20 mg kg-1 intravenøst og ble opprettholdt med 2-2,5% isoflurane i oksygen etter intubasjon via en ventilator. Riktig intubasjon ble bekreftet ved å lytte til lungene bilateralt. Anestesi bekrefter vurdering av det hornhinnen refleks. Oksygenmetning ble målt kontinuerlig med en metning skjerm på tungen eller øret. Ewe ble plassert på ryggen i semi-recundancy og en nasogastrisk ble sendt for å lette passering av mageinnholdet. En okulær smøremiddel ble brukt til øynene for å holde dem fuktige. Etter klipping ullen var magen av ewe dobbel skrubbet med huden desinfeksjonsmiddel. Sterilt kopling gel ble brukt på magen og ultralyd undersøkelse ble brukt å bekrefte gestasjonsalder av ewe34 og vurdere fosterets løgn. På slutten av operasjonen dyret Human drept med en overdose av thiopental natrium (40 mg kg-1 intravenøst).
Utøveren (A.L.D.) identifisert navlestrengen som mål. En nål ble satt inn i livmor hulrom, og spissen ble sporet langs en bane som oppnådd en ut-av-fly fra 15 mm og en dybde på 38 mm (Figur 3). Golay koding forbedret SNR, med en 7.5-fold økning i forhold til konvensjonelle bipolar eksitasjon (figur 3B). 3D sporede nål tips stillingene var kledde på 2D ultralyd bildet kors med bredder indikativ av ut-av-plane avstand og farger indikativ av imaging (trinn 2.6) (Figur 3 c).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig1.jpg"> Figur 1: systemoversikt. En ultralyd (USA) avbildning/sporing sonde gir både 2D amerikanske bildebehandling og 3D nål sporing. Det er drevet av en amerikansk skanner som gir kontroll over sporing element overføringer. En bryter gir elektronisk valg av svinger elementer veksle mellom to operasjonsmodi: imaging med sentrale utvalg og sporing med siden matriser. Fiber optisk hydrophone (noe) ultralyd mottaker plassert innenfor lumen av en 20G nål, mottar overføringer fra side-matriser. T/R: sender/mottaker; LT: linje utløser. FT: ramme utløser. PC: PC; DAQ: Kjøp datakort. Denne figuren og bildeteksten er gjengitt med tillatelse fra Xia, W. et al. 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig2.jpg"> Figur 2: Transducer element utformingen av egendefinerte ultralyd imaging sonde. En sentral matrise med 128 elementer og en akustisk objektiv kan vi imaging. Siden matriser, med 32 elementer per rad og 128 elementer totalt Aktiver 3D nål sporing. Denne figuren og bildeteksten er gjengitt med tillatelse fra Xia, W. et al. 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig2large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig3.jpg"> Figur 3: P innsetting med 3D sporing i vivo. (A) sporet nål tips posisjoner (sirkler: P1-P6) fikk under en innsetting i livmor hulrom av gravid sauer. (B) Signal-til-støy-forhold (SNRs) sporing signaler (tenkelig fly: X = 0). (C) overlapping av 3 av de merkede posisjonene på et 2D USA-bilde som ble kjøpt med sentrale matrisen. Ende-til-ende lengden på hvert kryss korresponderte til ut-av-plane avstanden; fargen (rød/gul) korresponderte til siden av tenkelig flyet. Anatomisk nøkkelfunksjoner er avbildet med skisserer (høyre). S: huden; PF: PCI fat. UW: livmoren muren. AF: fostervann; UC: navlestreng; FA: fosterets magen. Denne figuren og bildeteksten er gjengitt med tillatelse fra Xia, W. et al. 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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

Tredimensjonale ultralyd nål tips sporing med fiberoptisk ultralyd mottaker

Nøyaktige og effektive visualisering av invasiv medisinsk utstyr er svært viktig for mange ultralyd-guidede minimal invasiv prosedyrer. Her, er en metode for å lokalisere romlige plasseringen av en pinne-spissen i forhold til ultralyd imaging sonden presentert.

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

Syntese av fase-shift nanoemulsions med smale størrelse Distribusjoner for Acoustic Droplet Fordamping og Bubble-forbedret ultralyd-mediert Ablasjon

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

Prosessen med å lage tre-dimensjonale mikrostrukturene hjelp fordamping av en oppofrende 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

Ultralyd hastighetsmåling i en flytende metallelektrode

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

Eksperimenter på Ultralyd Smøring Ved hjelp av en piezoelektrisk assistert Tribometer og optisk 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

Bruke Synchrotron Radiation microtomography å etterforske Multi-skala Tredimensjonal Mikro Pakker

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

Tredimensjonal Particle Tracking velocimetry for Turbulence Applications: Case av en 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

Fiberoptiske distribuerte sensorer med høy oppløsning Temperatur felttilordning

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

Ultralyd tretthet Testing i spenning-komprimering modus

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

En Pipette-spissen basert metode for Seeding celler til dråpe Microfluidic plattformer

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