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

Эта работа была поддержана инновационной инженерной для здравоохранения премии по Уэллком траст (No. WT101957) и машиностроения и естественных наук исследования Совета (EPSRC) (No. NS/A000027/1), центром Добро пожаловать/EPSRC награда [203145Z/16/Z & NS/A000050/1], начиная грант от Совета европейских исследований (Грант № ERC-2012-STG, предложение 310970 MOPHIM) и первый EPSRC Грант (No. EP/J010952/1). A.L.D. поддерживается центром UCL/экономика NIHR всеобъемлющей биомедицинских исследований. Авторы благодарны сотрудникам Королевский ветеринарный колледж за их ценную помощь с экспериментов в естественных условиях .

1. системы аппаратное обеспечение
<ol><li>Клинические пользовательских ультразвуковой визуализации зонд<ol>
<li>Создайте проект дизайн для макета элементов датчика в пользовательских зонд, который включает в себя центральный и боковые массивы. Отправьте дизайн производителя этот зонд.</li>
		<li>С обратной связью от производителя создайте подробный дизайн для пользовательских зонд, который включает уточнения преобразователь частотных характеристик и геометрии (рис. 2). Примечание: Как правило, производитель пользовательских зонд можно спроектировать электронных систем, зонд жилья и разъему зонд для совместимости для конкретного типа ультразвуковой визуализации системы. Изготовитель может также включать переключатель режима работы (аппаратное обеспечение) для определения, какой набор 128 элементов был рассмотрен ультразвуковой визуализации системы. В режиме визуализации рассматривается Центральный массив; в режиме слежения решаются на стороне массивы.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Игла отслеживания<ol>
<li>Выберите волоконно оптических УЗИ гидрофонов, который включает одномодовое оптоволокно с Фабри-Pérot полости на дистальном конце (внешнего диаметра (OD): 150 мкм). Примечание: Гидрофоны, которые составляют одномодовое оптоволокно с Фабри-Pérot полости на дистальном конце (OD: 150 мкм), коммерчески доступны. Проксимальнее дистального конца, оптические волокна, которые часто используются для телекоммуникации имеют слой облицовки (OD: 125 мкм), буферный слой (OD: 250 мкм) и пиджак (OD: 900 мкм).</li>
		<li>С помощью скальпеля, частично удалите куртка 900 микрометра по длине волоконно оптические гидрофонов, недалеко от его дистального конца, подвергать буферного слоя до тех пор, пока гидрофонов может поместиться внутри канюлю иглы. Примечание: Для механической прочностью, полезно сохранить слой защитного буфера/куртку на участке волоконно-оптического кабеля, что проксимальнее люэровский коннектор. Будьте осторожны с обработкой разделе хрупкие волокна после удаления куртку, прежде чем он защищен канюлю иглы.</li>
		<li>Наносить горизонтально к стадии ручной горизонтальный перевод медицинские иглы и визуализировать кончик иглы с стерео микроскоп с оптической оси микроскопа выровненные горизонтально и перпендикулярно иглы. При необходимости, поверните иглы вокруг своей оси так, что рельеф поверхности иглы могут рассматриваться с микроскопом.</li>
		<li>Дистальный конец иглы с учетом Микроскоп вставьте волоконно оптических УЗИ приемника через канюлю туи-Борст пистолет адаптера, а затем через соединитель Luer иглы до зондирования регион гидрофон является просто проксимальнее рельеф поверхности иглы. На данном этапе пистолет адаптер не должен быть подключен к иглы. Аффикс гидрофонов сцену перевода (ленты полиимидная работает хорошо), чтобы избежать своего движения в пределах иглы.</li>
		<li>Аффикс гидрофонов в стадии перевода с ленты полиимидная избежать движения устройства в пределах иглы.</li>
		<li>Вертикально аффикс 20-микролитр Пипетка на вертикальной перевод сцену с наконечником, обращены вниз и использовать обе стадии горизонтальной и вертикальной перевод позиционировать микропипеткой наконечник до тех пор, пока это рядом гидрофонов волоконно оптических и около 0,5 мм проксимальнее зондирования региона на дистальном конце.</li>
		<li>Поместите каплю оптических клей в проксимальном конце микропипеткой и отрегулировать иглой, чтобы разрешить прямой путь от кончика микропипеткой волоконно оптических ультразвукового приемника.</li>
		<li>Затем используйте шприц 10 мл применить давление в проксимальном конце микропипеткой постепенно отказаться от клея от дистальной в волоконно оптических УЗИ ресивер, заботясь, чтобы избежать нанесения клея для зондирования региона или поглощения канюля, и осветить кончик иглы с ультрафиолетовым светом, до тех пор, пока лечится оптические прилипатель.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Системная интеграция
<ol><li>Подключите гидрофонов его оптических консоли. Примечание: Оптический консоли, которые обеспечивают аналогового напряжения сигнал, пропорциональный полученные давления доступны коммерчески.</li>
	<li>Подключение пользовательских ультразвуковой визуализации зонд на УЗИ консоль.</li>
	<li>Выполните с чередованием приобретений B-режим ультразвуковых изображений и закодированных ультразвуковых импульсов для отслеживания10,14. B-режим ультразвуковых изображений приобретение, выполняют импульс эхо передающая последовательности с Центрального массива элементов. Используйте аппаратный переключатель для управления ли доступ к стороне элементов массива или элементы Центрального массива.</li>
	<li>Оцифровывать сигналы гидрофонных и сигналы времени согласно начинает вещание УЗИ одновременно с данных (DAQ) приобретение карты.</li>
	<li>Процесс и отображения сигналов приобретенный импульс эхо передающая последовательности, чтобы получить УЗИ изображения в B-режиме. Кроме того обрабатывать и отображать сигналы гидрофонных локализовать волоконно оптических УЗИ приемника относительно пользовательских зонд. Для последней задачи описаны алгоритмы ся и др. 12 , 14
</li>
	<li>Наложение мест кончик иглы на B-режим ультразвуковых изображений. Для отображения 3D отслеживания информации на дисплей изображения 2D УЗИ, может указываться положение кончик иглы (боковые и глубина координаты) с крестом; Расстояние вне плоскости и стороне воображения плоскости, с размером и цветом этого Креста, соответственно.</li>
</ol>3. Доклинические проверка
<ol><li>Выберите режим работы с помощью переключателя на ультразвуковой визуализации зонд.</li>
	<li>Добавьте УЗИ гель для пользовательских ультразвуковой визуализации зонд.</li>
	<li>Подготовьте Фантом УЗИ плода путем добавления воды, чтобы имитировать амниотической жидкости.</li>
	<li>С помощью УЗИ B-режим, выявления амниотической жидкости в Фантом как объект вставки. Примечание: Цель вставки будет зависеть от контекста; она может включать конкретного региона ткани для диагностики или лечения во время клинических процедур, или назначенном месте в визуализации Фантом имитировать ткани региона.</li>
	<li>Вставьте иглу к цели вставки. Во время вставки, чередование режимов работы (изображений и отслеживание) непрерывно с помощью переключателя на пользовательских зонд.</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>

Авторы заявляют, что не существует никакого конфликта интересов.

Здесь мы показываем, как 3D, ультразвуковой отслеживания могут быть выполнены с пользовательской ультразвуковой визуализации зонд и волоконно оптических гидрофона интегрированы в иглу. С точки зрения клинической перевода некоторых аспектов пользовательского зонда, разработанных в этом исследовании являются привлекательными. Его компактный размер хорошо подходит для использования в небольших пространствах, таких как подмышечной впадине где маневрирования громоздкие 3D визуализации зонды является сложной задачей. Ограничение осуществления 3D ультразвуковой отслеживания, представленные здесь состоит, что требуется поочередно imaging и отслеживания режима ручного переключения. В будущем реализаций, этот переход может быть сделано непосредственно по ультразвуковой визуализации системы.
Волоконно оптические гидрофонов хорошо подходит для ультразвуковой иглы отслеживания. Его высокая степень миниатюризации и гибкость позволяют для ее интеграции в медицинских устройств с небольшими размерами боковой. Его широкие частоты пропускания16 позволяет для совместимости с различными клинических ультразвуковые датчики. Кроме того его omnidirectionality16 позволяет для отслеживания иглы, которые вставляются в широком диапазоне углов. Наконец его иммунитет к помехам от ЭМ поля и металлических объектов делает его более подходящим для клинических параметров в отличие от EM отслеживания. Для достижения большей чувствительность обнаружения УЗИ, Плано вогнутые Фабри-Pérot полость может использоваться в будущем17. В конечном счете ультразвуковой отслеживания может сочетаться с другими механизмами в одно оптическое волокно, как отражения спектроскопии18,19,20,21,22, 23, спектроскопия24Раман, оптическая когерентная томография25,26и Фотоакустическая изображений27,28,29,30 , 31 , 32 , 33.
Ультразвуковой отслеживания имеет ограничения, которые являются общими с УЗИ. Во-первых ткани неоднородностей негативно повлияет на ультразвуковой отслеживания; пространственные вариации в скорости звука ткани уменьшит точность слежения, как это продемонстрировано численного моделирования в предыдущем исследовании14. Во-вторых, анатомические структуры, обеспечивающие высокую отражательную способность для ультразвуковых волн, такие как костные структуры или воздушных полостей, вероятно, не совместимы с ультразвуковой отслеживания. В будущем исследования, положение кончика иглы, полученные с других изображений методы, такие как 3D вращения C-рука рентгеновской томографии, могут использоваться для оценки точности 3D ультразвуковой отслеживания в разнородных тканей в естественных условиях.
Несмотря на недавние выдвижения в УЗИ точного отслеживания и эффективной обработки медицинских приборов под руководством этого механизма остается сложным, даже для экспертов-практиков. Активные связи между внешними ультразвуковые датчики и медицинские приборы, как показано здесь, могли бы улучшить процедуры безопасности и эффективности. Эти улучшения могут значительно облегчить принятие УЗИ вместо рентгеновской рентгеноскопии в нескольких клинических контекстах, например позвоночника вставок для интервенционных боли. Система, разработанная в этом исследовании позволяет 3D ультразвуковой отслеживания и 2D УЗИ с компактный ультразвуковой зонд. Это могло бы улучшить УЗИ руководствуясь минимально инвазивных процедур путем предоставления точной локализации кончик иглы в рамках текущих клинических рабочего процесса.

Точной и эффективной локализации инвазивных медицинских приборов весьма желательно в многих УЗИ руководствуясь минимально инвазивных процедур. Эти процедуры встречаются в клинических условиях как региональной анестезии и интервенционной боль управления1, Интервенционная онкология2и медицины плода3. Визуализация кончика медицинского устройства может быть сложным с УЗИ. Во время вставки в плоскости иглы часто имеют плохой видимости при крутыми углами вставки. Кроме того во время вставки вне плоскости, игольчатый вала может быть неправильно истолковано как кончик иглы. Когда кончик иглы ультразвуковую не видна, это может вызвать осложнения, повреждая критических тканевых структур.
Многие методы доступны для локализации медицинских приборов во время УЗИ, но надежный тот, который совместим с текущим рабочим процессом клинических весьма желательно. Эхогенная поверхностей может использоваться для улучшения видимости во время крутым углом в плоскости вставки4. Электромагнитные системы слежения могут быть использованы во время вставки вне плоскости, но электромагнитного поля помехи сильно может ухудшить их точности. 3D УЗИ можно улучшить видимость медицинских приборов в некоторых сердечных и плода процедур, когда они окружены жидкости5. Однако 3D УЗИ не широко используется для указания иглы, в части из-за сложностей, связанных с интерпретации изображений.
Ультразвуковой отслеживания — это метод, который показывает большой потенциал для улучшения медицинского устройства видимости6,,78,9,10,11,12 ,,1314. С ультразвуковой отслеживания, медицинской устройство имеет встроенный ультразвукового датчика или передатчик, который активно взаимодействует с внешней ультразвуковой визуализации зонд. Медицинский прибор позиции могут быть определены из измеренных УЗИ время из рейсы между встраиваемых ультразвуковой датчик/передатчик и различные датчики элементы зонда. На сегодняшний день, была ограничена в плоскости слежения, которая значительно ограничивает его клиническое применение ультразвуковой отслеживания.
Здесь демонстрация как 3D ультразвуковой слежения могут быть выполнены с пользовательской ультразвуковой визуализации зонд и волоконно оптических гидрофонов, проставленный в канюлю иглы предоставляется (рис. 1). Этот пользовательский зонд, который был разработан авторы и изготовлено внешне, включает в себя Центральный массив элементов датчика и четыре стороны массивы. Центральный массив используется для 2D УЗИ; на стороне массивы, для 3D иглы подсказки отслеживания в концерте с приемником ультразвуковые оптоволоконной. Показано как волоконно оптических ультразвукового приемника могут быть расположены и прикреплены внутри канюлю иглы, как точность отслеживания системы может быть измеренные на benchtop и как клинические проверки могут быть выполнены.

<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

УЗИ часто используется для руководящих минимально инвазивных процедур, но визуализации медицинских устройств часто является сложной задачей с этой визуализации модальности. При визуализации теряется, медицинские устройства может вызвать травмы критических тканевых структур. Здесь представлен метод для отслеживания кончик иглы во время УЗИ изображения руководствуясь процедурами. Этот метод предполагает использование волоконно оптических УЗИ-приемник, который проставляется внутри канюли медицинские иглы ультразвуковую общаться с внешним ультразвуковой зонд. Этот пользовательский зонд включает массив элементов Центральный датчик и боковой элемент массивов. Помимо обычных двухмерных (2D) B-режим УЗИ представленной в Центральном массиве, трехмерные (3D) наконечник отслеживание осуществляется на стороне массивы. B-режим УЗИ, выполняется стандартное transmit-receive последовательность с электронного луча. Для ультразвуковой отслеживания, код Голея УЗИ вещание из 4 стороны массивы принимаются гидрофонов датчик, и впоследствии полученные сигналы декодирования для определения пространственного расположения кончик иглы по УЗИ зонд. Как предварительная проверка этого метода вставки иглы/гидрофонов пары были исполнены в клинически реалистичные контекстах. Этот роман ультразвуковых изображений/отслеживания Метод совместим с текущих клинических рабочего процесса, и он обеспечивает надежное устройство слежения во время вставки иглы в плоскости и вне плоскости.

Животных эксперимент был проведен в соответствии с правилами UK Home Office и руководством по эксплуатации животных (научные процедуры) закон (1986). Овцы размещалась в соответствии с UK Home Office руководящие принципы, касающиеся защиты животных; эксперименты были проведены под лицензией по домашнего офиса проекта 70/7408 под названием «Дородовой терапии с стволовых клеток и перенос генов». Утверждения этики для экспериментов овца была представлена Лондонский колледж университета, Соединенное Королевство и животного благосостояния этики Обзор советов Королевский ветеринарный колледж.
Утверждения этики в месте был использован беременных овец для проверки доклинических в естественных условиях . После получения суппозитории интравагинального прогестерона на 2 недели, овец были вязка время для стимулирования овуляции, как описано в Дэвид и др. 34 на 130 дней гестации, одна беременная эве было голодали на ночь с беременной компаньон эве. Эве затем прошли общей анестезии, индуцированной с тиопентал натрия 20 мг кг-1 внутривенно и поддерживались с 2-2,5% изофлюрановая кислорода после интубации через вентилятор. Правильной интубации было подтверждено, слушая легкие на двусторонней основе. Анестезии была подтверждена оценкой роговицы рефлекс. Насыщение кислородом была измерена, непрерывно с помощью монитора насыщения на язык или уха. Эве был сделан на ее обратно в полу recundancy и трубу через назогастральный зонд был принят для облегчения прохождения содержимого желудка. Глазной смазки был применен к глаза, чтобы держать их влажными. После стрижки шерсти, живот эве был двойной шероховатый кожу дезинфицирующим средством. Стерильные муфта гель был применен в брюшную полость и УЗИ был использован для подтверждения гестационного возраста эве34 и оценки плода ложь. В конце операции животным гуманно был убит с помощью передозировки тиопентал натрия (40 мг кг-1 внутривенно).
Практик (A.L.D.) выявлены пуповины как цель. Иглы был вставлен в полость матки, а кончик было считано вдоль траектории, что достигнуты вне плоскости расстояние 15 мм и глубиной 38 мм (рис. 3). Голея кодирования улучшить SNR, с 7.5-fold увеличением по сравнению с обычными биполярного возбуждения (рис. 3B). Позиции Совет 3D гусеничных иглы были накладывается на 2D УЗИ изображения с помощью кресты с шириной Ориентировочные расстояния вне плоскости и цвета свидетельствует о изображений (шаг 2.6) (рис. 3 c).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig1.jpg"> Рисунок 1: обзор системы. УЗИ (США) изображений/отслеживания зонд позволяет 2D США изображений и 3D иглы отслеживания. Это обусловлено США сканер, который обеспечивает контроль над отслеживания элементов трансмиссии. Переключатель позволяет электронный преобразователь элементов поочередно два режима работы: imaging с Центрального массива и отслеживание с массивами стороне. Волоконно оптические гидрофонов (FOH) УЗИ приемник, позиционируется в просвет иглы 20G, получает вещание от стороны массивы. T/R: передачи/приема; LT: линия триггера; FT: рамка триггер; PC: персональный компьютер; DAQ: сбор данных карты. Этот рисунок и сопроводительную подпись, воспроизводятся с разрешения от Xia, W. et al. 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig1large.jpg" target="_blank">пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig2.jpg"> Рисунок 2: макет элемента датчика пользовательских ультразвуковой визуализации зонд. Центральный массив с 128 элементов и акустических объектив позволяет нам изображений. Сторона массивы, с 32 элементов для каждой строки и 128 элементов в общей сложности, отслеживание 3D иглы. Этот рисунок и сопроводительную подпись, воспроизводятся с разрешения от Xia, W. et al. 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig2large.jpg" target="_blank">пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig3.jpg"> Рисунок 3: Игла вставки с 3D отслеживания в естественных условиях. (A) гусеничный иглой оконечности позиции (круги: P1-P6) получены во время вставки в полость матки беременной овец. (B) соотношения сигнал шум (SNR) отслеживание сигналов (изображений самолет: X = 0). (C) наложение 3 гусеничный позиций на 2D изображение США, который был приобретен с Центрального массива. End-to-end длина каждого Креста соответствует расстояние вне плоскости; цвет (красный/желтый) соответствует стороне плоскости изображения. Анатомические особенности изображены с очертаниями (справа). S: кожи; PF: чрезкожная жира; UW: стенки матки; AF: амниотической жидкости; UC: пуповины; FA: плода живот. Этот рисунок и сопроводительную подпись, воспроизводятся с разрешения от Xia, W. et al. 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig3large.jpg" target="_blank">пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.</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

Трехмерные ультразвуковые иглы отзыв отслеживания с приемником волоконно оптических УЗИ

Точной и эффективной визуализации инвазивных медицинских приборов чрезвычайно важное значение для многих УЗИ руководствуясь минимально инвазивных процедур. Здесь представлен метод для локализации пространственное положение кончика иглы относительно ультразвуковой визуализации зонд.

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

Синтез Фазовый наноэмульсии с узким распределением размера для акустической испарения капель и Bubble повышенной ультразвуковой аблации-опосредованной

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

Высокое разрешение, высокая скорость, Трехмерная Видео Формирование изображений с цифровой Fringe методы проекции

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

Процесс изготовления трехмерных микроструктур использованием Испарение жертвенный компонент

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

Измерение скорости ультразвука в жидкости металлический электрод

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

Эксперименты по ультразвуковой смазки Использование пьезоэлектрически содействии Tribometer и оптических профилометром

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

С использованием синхротронного излучения микротомография Расследования многомасштабном Трехмерные Микроэлектронные пакеты

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

Трехмерная Velocimetry Отслеживание частиц для Турбулентность Области применения: Случай струйного потока

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

Волоконно-оптические датчики для Распределенные картирования температурного поля с высоким разрешением

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

Ультразвуковой усталость, тестирование в режиме напряжение сжатия

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

Пипетки Tip на основе метода для заполнения клеток капелька Microfluidic платформ

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