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Engineering

Aiguille à ultrasons tridimensionnel Tip suivi avec un récepteur à ultrasons de la fibre optique

Published: August 21, 2018
doi:
10.3791/57207
, , , , , , , ,
1Wellcome/EPSRC Centre for Interventional and Surgical Sciences,University College London, 2Department of Medical Physics and Biomedical Engineering,University College London, 3Department of Anaesthesia,University College Hospital, 4St Bartholomew’s Hospital and Queen Mary University of London, 5Institute for Women’s Health,University College London, 6Centre for Medical Imaging Computing,University College London, 7GePaSud,University of French Polynesia, 8Department of Development and Regeneration,KU Leuven (Katholieke Universiteit), 9NIHR University College London Hospitals Biomedical Research Centre

Summary

Visualisation précise et efficace des dispositifs médicaux invasifs est extrêmement importante dans de nombreuses méthodes de mini-invasives guidée par échographie. Ici, on présente une méthode pour localiser la position spatiale d’une pointe d’aiguille par rapport à la sonde d’imagerie.

Abstract

Ultrasons est fréquemment utilisé pour les directeurs des procédures minimalement invasives, mais visualiser des dispositifs médicaux est souvent un défi avec cette modalité d’imagerie. En visualisation est perdue, le dispositif médical peut causer un traumatisme aux structures tissulaires critique. Ici, on présente une méthode pour suivre la pointe de l’aiguille pendant les procédures guidée par l’image d’échographie. Cette méthode implique l’utilisation d’un récepteur à ultrasons de la fibre optique qui est apposée dans la canule d’une aiguille médicale pour communiquer par ultrasons avec la sonde externe. Cette sonde personnalisée comprend un tableau d’élément transducteur centrale et côté élément. En plus des classiques à deux dimensions (2D) mode B échographie fournie par le tableau central, en trois dimensions (3D) aiguille de suivi est fourni par les baies latérales. Pour l’échographie mode B, une séquence standard transmit-receive avec formation de faisceau électronique est effectuée. Pour un suivi par ultrasons, transmissions codées Golay échographie des ensembles 4 côté sont reçues par le capteur de l’hydrophone, et par la suite les signaux reçus sont décodés pour identifier l’emplacement de la pointe de l’aiguille dans l’espace en ce qui concerne l’imagerie par ultrasons sonde. Comme une validation préliminaire de cette méthode, les insertions de la paire d’aiguille/hydrophone ont été réalisées dans des contextes cliniquement réalistes. Ces ultrasons nouvelle imagerie/suivi méthode est compatible avec le déroulement du travail clinique actuel, et il fournit un suivi dispositif fiable pendant les insertions dans le plan et hors-plan de l’aiguille.

Introduction

Localisation précise et efficace des dispositifs médicaux invasifs est hautement souhaitable dans de nombreuses méthodes de mini-invasives guidée par échographie. Ces procédures sont rencontrés dans des contextes cliniques comme l’anesthésie régionale et douleur interventionnelle management1, oncologie interventionnelle2et médecine fœtale3. Visualisation de la pointe du dispositif médical peut être difficile avec l’échographie. Lors des insertions dans le plan, les aiguilles ont souvent mauvaise visibilité quand des angles d’insertion sont raides. En outre, pendant les insertions hors-plan, le puits d’aiguille peut être interprété à tort comme la pointe de l’aiguille. Lorsque la pointe de l’aiguille n’est pas visible par ultrasons, il peut causer des complications en endommageant les structures tissulaires critique.

Il existe plusieurs méthodes localiser des dispositifs médicaux au cours de l’échographie, mais un fiable qui est compatible avec le déroulement du travail clinique actuel est fortement souhaité. Surfaces échogène peuvent être utilisés pour améliorer la visibilité lors de grand angle dans le plan insertions4. Électromagnétique des systèmes de suivi peuvent être utilisé pendant les insertions hors-plan, mais les perturbations du champ électromagnétique peuvent dégrader sérieusement leur exactitude. Échographie 3D peut améliorer la visibilité des dispositifs médicaux dans certaines procédures cardiaques et foetales quand ils sont entourés de fluides5. Cependant, l’échographie 3D n’est pas employé couramment pour guider les aiguilles, en partie en raison des complexités liées à l’interprétation des images.

Suivi par ultrasons est une méthode qui a démontré un grand potentiel pour améliorer le dispositif médical visibilité6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. Avec le suivi des ultrasons, le dispositif médical a un capteur d’ultrasons intégrés ou émetteur qui communique activement avec l’échographie externe sonde d’imagerie. La position du dispositif médical peut être identifiée à l’échographie mesurée temps-de-vols entre l’échographie incorporé capteur/transmetteur et éléments différents transducteur de la sonde. A ce jour, suivi par ultrasons a été limitée au suivi dans le plan, qui a considérablement restreint son utilisation clinique.

Ici, une démonstration de comment 3D suivi par ultrasons permet d’effectuer une échographie personnalisée sonde d’imagerie et un hydrophone fibre optique apposé dans la canule d’une aiguille est fourni (Figure 1). Cette sonde personnalisée, qui a été conçue par les auteurs et fabriquée à l’extérieur, comprend un tableau central des éléments du transducteur et quatre côté. Le tableau central est utilisé pour l’échographie 2D ; les baies de côté, pour la 3D avec une aiguille pointe suivi de concert avec le récepteur à ultrasons de la fibre optique. Nous montrons comment le récepteur à ultrasons de la fibre optique peut être positionné et apposé dans la canule de l’aiguille, comment la précision de suivi du système peut être mesurée sur le banc et comment clinique la validation peut être effectuée.

Protocol

1. système matériel L’échographie personnalisé clinique d’imagerie sonde Créer une conception de projet pour la mise en page des éléments transducteur de la sonde personnalisée qui inclut des tableaux centrales et latérales. Soumettre la conception pour le fabricant de cette sonde. Commentaires du fabricant créer une conception détaillée pour la sonde personnalisée qui inclut des améliorations au caractéristiques de fréquence transducteur et de géométries (Figure 2).Remarque : En règle générale, le fabricant de la sonde personnalisé peut concevoir les systèmes électroniques, le boîtier de la sonde et le connecteur de la sonde pour la compatibilité d’un type particulier de l’échographie, système d’imagerie. Le fabricant peut également inclure un commutateur de mode de fonctionnement (matériel) pour déterminer quel ensemble de 128 éléments a été adressée par l’échographie, système d’imagerie. En mode d’imagerie, le tableau central est adressé ; dans le mode de suivi, les baies latérales sont adressées. L’aiguille de suivi Sélectionnez un hydrophone fibre optique échographie matérialisant une fibre optique monomode avec une cavité Fabry-Pérot à l’extrémité distale (diamètre extérieur (OD) : 150 µm).Remarque : Les Hydrophones qui composent une fibre optique monomode avec une cavité Fabry-Pérot à l’extrémité distale (OD : 150 µm), sont disponibles sur le marché. Proximal à l’extrémité distale, les fibres optiques qui sont fréquemment utilisés pour les télécommunications ont une couche de revêtement (OD : 125 µm), une couche tampon (OD : 250 µm) et une veste (OD : 900 µm). À l’aide d’un scalpel, enlever partiellement la veste 900 micromètre sur toute la longueur de l’hydrophone optiques de fibre, près de son extrémité distale, pour exposer la couche tampon jusqu’à ce que l’hydrophone peut s’insérer dans la canule de l’aiguille.Remarque : La robustesse mécanique, il est utile de conserver la couche/veste protectrice tampon sur la section de la fibre optique qui est proximal au connecteur Luer. Faites attention avec la manipulation de la section fragile de la fibre après avoir retiré la veste, avant que celui-ci est protégé par la canule de l’aiguille. Fixer l’aiguille médical horizontalement à une étape de traduction horizontale manuelle et visualiser la pointe de l’aiguille avec un microscope stéréo, avec l’axe optique du microscope aligné horizontalement et perpendiculairement à l’aiguille. Si nécessaire, tourner l’aiguille autour de son axe afin que la surface conique de l’aiguille peut être vu au microscope. Avec l’extrémité distale de l’aiguille, vu au microscope, branchez le récepteur à ultrasons de la fibre optique par le biais de la canule d’un adaptateur Tuohy-Borst Sidearm et par la suite le connecteur Luer de l’aiguille jusqu’à ce que la région de télédétection de l’hydrophone est juste proximale à la surface de coupe en biseau de l’aiguille. À ce stade, l’adaptateur Sidearm ne devrait pas être connecté à l’aiguille. Apposer l’hydrophone à l’étape de la traduction (ruban adhésif polyimide fonctionne bien) pour éviter sa circulation au sein de l’aiguille. Apposer l’hydrophone à l’étape de traduction avec du ruban adhésif polyimide pour éviter tout mouvement de l’appareil au sein de l’aiguille. Verticalement, apposer un microlitre-20 Pipeter à l’étape de traduction verticale avec la pointe vers le bas et utilisez les deux stades de translation horizontale et verticale pour positionner la micropipette tip jusqu’à ce qu’il est adjacent à l’hydrophone à fibre optique et environ 0,5 mm proximale de la région de télédétection à l’extrémité distale. Déposez une goutte de colle optique à l’extrémité proximale de la micropipette et ajuster l’aiguille afin de permettre une voie directe de la pointe d’une micropipette pour le récepteur à ultrasons de la fibre optique. Puis utilisez une seringue de 10 mL à appliquer une pression à l’extrémité proximale de la micropipette à renoncer progressivement l’adhésif de distale dans le récepteur à ultrasons de la fibre optique, en prenant soin de ne pas appliquer l’adhésif à la région de détection ou de l’occlusion de la canule, et illuminer la pointe de l’aiguille avec la lumière ultraviolette, jusqu’à ce que l’adhésif optique est guéri. 2. intégration du système Connectez l’hydrophone à son optique de la console.Remarque : Les consoles optiques qui fournissent un signal de tension analogique proportionnelle à la pression reçue sont disponibles commercialement. Connectez l’échographie personnalisé imaging sonde sur la console de l’échographie. Effectuer entrelacées acquisitions d’images échographiques mode B et impulsions codées par ultrasons pour le suivi de10,14. Pour l’acquisition d’images de l’échographie mode B, effectuer l’impulsion de l’écho des séquences avec les éléments du tableau central d’émission-réception. Utilisez le commutateur de matériel à contrôler si les éléments du tableau côté ou les éléments du tableau central sont accessibles. Numériser simultanément les signaux de l’hydrophone et les signaux de synchronisation selon les mises en chantier des transmissions de l’échographie avec une carte d’acquisition (DAQ) de données. Processus et Visualisez les signaux acquis auprès de l’impulsion de l’écho émission-réception des séquences, pour obtenir des images d’échographie mode B. En outre, traiter et d’afficher les signaux de l’hydrophone à localiser le récepteur à ultrasons de la fibre optique par rapport à la sonde personnalisé. Pour la tâche de ce dernier, les algorithmes sont décrits par Xia et al. 12 , 14 Superposer les emplacements de pointe de l’aiguille sur les images de l’échographie mode B. Pour afficher la 3D, suivi de l’information sur un étalage échographie 2D, la position de la pointe de l’aiguille (coordonnées latérale et profondeur) peut être indiquée d’une croix ; la distance hors-plan et côté de l’imagerie de plan, avec la taille et la couleur de cette Croix, respectivement. 3. préclinique Validation Sélectionnez le mode de fonctionnement à l’aide de l’interrupteur sur la sonde d’imagerie. Ajouter gel ultrasonique à la sonde d’imagerie personnalisée. Préparer un fantôme d’échographie fœtale par adjonction d’eau pour imiter le liquide amniotique. À l’aide de l’échographie mode B, identifier le liquide amniotique dans le fantôme comme cible d’insertion.Remarque : L’objectif d’insertion dépendra du contexte ; il pourrait inclure une région particulière du tissu pour le diagnostic ou le traitement pendant une procédure clinique, ou un endroit désigné, dans un fantôme d’imagerie pour imiter une région de tissu. Insérer l’aiguille vers l’objectif d’insertion. Lors de l’insertion, alternez entre les modes de fonctionnement (imagerie et suivi) continuellement à l’aide de l’interrupteur sur la sonde personnalisée.

Representative Results

L’expérimentation animale a été réalisée conformément aux règlements de l’UK Home Office et les directives pour l’exploitation des animaux (procédures scientifiques) Act (1986). Les moutons se déroulait conformément aux directives de UK Home Office relatives au bien-être des animaux ; les expériences ont été menées sous le Home Office Project License 70/7408 intitulé « Thérapie prénatale avec des cellules souches et de transfert de gènes ». Approbation éthique pour des expériences de moutons a été fournie par l’University College London, Royaume Uni et les commissions d’examen éthique bien-être Animal du Royal Veterinary College. Avec approbation éthique en place, une brebis enceinte pour validation préclinique in vivo a été utilisée. Après avoir reçu des suppositoires de progestérone par voie intravaginale pendant 2 semaines, brebis étaient fois accouplées pour induire l’ovulation, tel que décrit par David et al. 34 à 130 jours de gestation, une brebis enceintes était affamée pendant la nuit avec une brebis enceintes companion. Ensuite, la brebis a subi une anesthésie générale induite par voie intraveineuse avec thiopental sodique 20 mg kg-1 et a été maintenue avec 2 à 2,5 % isoflurane en oxygène après intubation via un ventilateur. Intubation correcte a été confirmée en écoutant les poumons bilatéralement. L’anesthésie a été confirmée par l’évaluation du réflexe cornéen. Saturation en oxygène a été mesurée en continu à l’aide d’un moniteur de saturation sur la langue ou l’oreille. La brebis a été placée sur son dos en semi-recundancy et une sonde naso-gastrique a été adoptée afin de faciliter le passage des contenus stomacaux. Un lubrifiant oculaire a été appliqué aux yeux pour les garder humides. Après la tonte de la toison, l’abdomen de la brebis a été double nettoyée avec un désinfectant de la peau. Gel de couplage stérile a été appliqué à l’abdomen et l’examen échographique a été utilisée pour confirmer l’âge gestationnel des brebis34 et d’évaluer des foetus mensonge. À la fin de l’intervention chirurgicale l’animal a été tué avec humanité à l’aide d’une surdose de thiopental sodique (40 mg kg-1 par voie intraveineuse). Le praticien (A.L.D.) a identifié le cordon ombilical comme une cible. Une aiguille est insérée dans la cavité utérine, et la pointe a été repérée le long d’une trajectoire qui atteint une distance hors-plan de 15 mm et une profondeur de 38 mm (Figure 3). Golay codage améliorée le SNR, avec une augmentation de 7.5-fold excitation bipolaire classique (Figure 3 b). Les positions de pointe aiguille suivi 3D ont été superposées sur l’image d’échographie 2D à l’aide de croisements avec des largeurs indicatives de la distance hors-plan et les couleurs indicatives de l’imagerie (étape 2.6) (Figure 3). Figure 1 : vue d’ensemble du système. Une échographie (US) imagerie/suivi sonde permet pour l’imagerie US 2D et 3D aiguille suivi. Elle est entraînée par un scanner US qui permet de contrôler le suivi des transmissions de l’élément. Un commutateur permet de sélection électronique des éléments de transducteur pour alterner entre deux modes de fonctionnement : imagerie avec le tableau central et suivi avec les baies de côté. Un récepteur à ultrasons fibre optique hydrophone (FOH), positionné dans la lumière d’une aiguille de 20G, reçoit les transmissions des ensembles latéraux. C/r : émission/réception ; LT : déclencheur de ligne ; FT : déclencheur de cadre ; PC : ordinateur ; DAQ : carte d’acquisition de données. Ce chiffre et la légende sont reproduites avec la permission de Xia, w. et al. 14. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 2 : disposition élément transducteur de l’échographie personnalisé imaging sonde. Un tableau central avec 128 éléments et une lentille acoustique permet d’imagerie. Tableaux de côté, avec 32 par rang et 128 éléments au total, activer le suivi de l’aiguille 3D. Ce chiffre et la légende sont reproduites avec la permission de Xia, w. et al. 14. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 3 : Aiguille d’insertion avec 3D suivi in vivo. Positions de pointe aiguille (A) sur chenilles (cercles : P1-P6) obtenues lors de l’insertion dans la cavité utérine, d’une brebis enceinte. (B) les ratios Signal-bruit (SNRs) des signaux suivi (plan d’imagerie : X = 0). (C) superposition de 3 des positions chenilles sur une image 2D d’US qui a été acquis avec le tableau central. La longueur de bout à bout de chaque croix correspond à la distance hors-plan ; la couleur (rouge/jaune) correspond à la part du plan d’imagerie. Principales caractéristiques anatomiques sont dépeints avec contours (à droite). S : peau ; PF : graisse percutanée ; UW : mur utérus ; AF : liquide amniotique ; UC : du cordon ombilical ; FA : abdomen fœtal. Ce chiffre et la légende sont reproduites avec la permission de Xia, w. et al. 14. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Discussion

Nous démontrons comment 3D suivi par ultrasons permet d’effectuer une échographie personnalisée sonde d’imagerie et un hydrophone fibre optique intégrée au sein d’une aiguille. Du point de vue clinique, plusieurs aspects de la sonde personnalisée développé dans cette étude sont attrayants. Sa taille compacte est bien adapté pour une utilisation dans les petits espaces tels que l’aisselle où manœuvre encombrants 3D imagerie sondes est difficile. Une limitation de la mise en œuvre du tracking par ultrasons 3D présenté ici est qu’il était nécessaire pour alterner entre imagerie et suivi des modes de commutation manuelle. À l’avenir les implémentations, ce changement pourrait se faire directement par le système d’imagerie de l’échographie.

L’hydrophone de fibre optique est bien adapté à ultrasons aiguille suivi. Son haut degré de miniaturisation et de flexibilité permettant son intégration dans les dispositifs médicaux avec petites dimensions latérales. Sa fréquence large bande passante16 permet une compatibilité avec les sondes ultrasons cliniques différentes. En outre, son omnidirectionality16 permet pour le suivi des aiguilles qui sont insérés à une large gamme d’angles. Enfin, son immunité aux perturbations des champs électromagnétiques et des objets métalliques rend paramètres conviennent mieux pour clinique contrairement au suivi de l’EM. Pour parvenir à une plus grande sensibilité de détection par ultrasons, une cavité de Fabry-Pérot plan et concave pourrait servir dans le futur,17. En fin de compte, suivi par ultrasons seront cumulables avec d’autres modalités dans une seule fibre optique, tels que reflectance spectroscopy18,19,20,21,22, 23, Raman spectroscopie24, de25,tomographie par cohérence optique26et photoacoustique imagerie27,28,29,30 , 31 , 32 , 33.

Suivi par ultrasons présente des limites qui sont partagés avec l’échographie. Tout d’abord, hétérogénéités de tissus auront un impact négatif suivi par ultrasons ; variations spatiales de la vitesse du son du tissu vont diminuer la précision de suivi, tel que démontré par des simulations numériques dans une précédente étude14. Deuxièmement, anatomiques des structures qui sont hautement réfléchissants à des ondes ultrasoniques, tels que les structures osseuses ou les cavités d’air, ne sont probablement pas compatible avec le suivi des ultrasons. À l’avenir les études, la position de pointe de l’aiguille obtenue avec d’autres modalités d’imagerie, telles que C-bras de rotation 3D tomographie aux rayons x, pourraient servir pour évaluer la précision de repérage par ultrasons 3D en tissus hétérogènes en vivo.

Malgré les avancées récentes dans l’imagerie par ultrasons, suivi précis et efficace manipulation des dispositifs médicaux sous la direction de cette modalité restent difficile, même pour les praticiens experts. Une communication active entre les sondes d’échographie externes et des dispositifs médicaux, comme illustré ici, pourrait améliorer l’efficacité et la sécurité procédurale. Ces améliorations pourraient grandement faciliter l’adoption de l’échographie à la place de radioscopie radiographie dans plusieurs contextes cliniques, telles que des insertions de la colonne vertébrale pour la gestion de la douleur interventionnelle. Le système développé dans cette étude permet de tracking par ultrasons 3D et 2D de l’échographie avec une sonde à ultrasons compact. Elle pourrait améliorer les procédures mini-invasives guidée par échographie en fournissant une localisation précise de la pointe de l’aiguille dans le déroulement du travail clinique actuelle.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par une ingénierie innovante pour le prix de la santé par le Wellcome Trust (no WT101957) et de l’ingénierie et les Sciences physiques Research Council (EPSRC) (no. NS/A000027/1), par un Centre Wellcome/EPSRC accorder [203145Z/16/Z & NS/A000050/1], par un Starting Grant de l’European Research Council (Grant No. ERC-2012-STG, proposition 310970 MOPHIM) et par une subvention de premier EPSRC (no. EP/J010952/1). A.L.D. est pris en charge par l’UCL/UCLH NIHR complet Centre de recherches biomédicales. Les auteurs sont reconnaissants envers le personnel du Royal Veterinary College pour leur aide précieuse avec des expériences in vivo .

Materials

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

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Xia, W., West, S. J., Finlay, M. C., Pratt, R., Mathews, S., Mari, J., Ourselin, S., David, A. L., Desjardins, A. E. Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver. J. Vis. Exp. (138), e57207, doi:10.3791/57207 (2018).
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