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Engineering

Tracking con un ricevitore di ultrasuono in fibra ottica a punta d'ago ad ultrasuoni tridimensionale

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

Visualizzazione accurata ed efficiente dei dispositivi medici invasivi è estremamente importante in molte procedure minimamente invasive ultrasuono-guida. Qui, viene presentato un metodo per localizzare la posizione spaziale di una punta dell’ago rispetto alla sonda di ultrasuono di imaging.

Abstract

Ultrasuono è usato frequentemente per guida procedure minimamente invasive, ma spesso la visualizzazione di dispositivi medici è impegnativo con questa modalità di formazione immagine. Quando la visualizzazione viene persa, il dispositivo medico può causare trauma alle strutture del tessuto critico. Qui, un metodo per tenere traccia la punta dell’ago durante le procedure guidata da immagini di ultrasuono è presentato. Questo metodo prevede l’utilizzo di un ricevitore di ultrasuono in fibra ottica che è apposto all’interno della cannula di un ago medico di comunicare con ultrasuoni con la sonda ad ultrasuoni esterno. Questa sonda personalizzata comprende una matrice di elementi trasduttore centrale e matrici di elementi laterali. Oltre a convenzionale bidimensionale (2D) B-modalità ecografia fornito dalla matrice centrale, punta di tridimensionale (3D) ago di rilevamento è fornita mediante le matrici di lato. Per formazione immagine di ultrasuono del B-mode, viene eseguita una sequenza di transmit-receive standard con elettronica beamforming. Per il rilevamento ad ultrasuoni, le trasmissioni di ultrasuono Golay-codificato dalle matrici 4 laterali vengono ricevute dal sensore idrofono, e successivamente i segnali ricevuti sono decodificati per identificare la posizione spaziale di punta dell’ago per quanto riguarda la formazione immagine di ultrasuono sonda. Come una convalida preliminare di questo metodo, gli inserimenti della coppia dell’ago/idrofono sono stati eseguiti in contesti clinicamente realistici. Questa ecografia romanzo imaging/rilevamento metodo è compatibile con l’attuale flusso di lavoro clinico e fornisce affidabile dispositivo di tracking durante gli inserimenti dell’ago in piano e fuori del piano.

Introduction

Localizzazione precisa ed efficiente di dispositivi medici invasivi altamente è voluto in molte procedure minimamente invasive ultrasuono-guida. Queste procedure sono incontrate in contesti clinici quali l’anestesia regionale e dolore interventistica gestione1, oncologia interventistica2e3di medicina fetale. Visualizzazione della punta del dispositivo medico può essere impegnativo con formazione immagine di ultrasuono. Durante gli inserimenti in piano, aghi hanno spesso scarsa visibilità quando gli angoli di inserimento sono ripidi. Inoltre, durante gli inserimenti fuori del piano, l’albero dell’ago può essere interpretato come la punta dell’ago. Quando la punta dell’ago non è visibile con ultrasuoni, può causare complicazioni danneggiando le strutture critiche del tessuto.

Sono disponibili molti metodi per localizzare dispositivi medici durante la formazione immagine di ultrasuono, ma uno affidabile che è compatibile con l’attuale flusso di lavoro clinico altamente è voluto. Echogenic superfici possono essere utilizzate per migliorare la visibilità durante il ripido angolo inserimenti in piano4. Sistemi di rilevamento elettromagnetico possono essere utilizzati durante gli inserimenti fuori del piano, ma disturbi del campo elettromagnetico possono degradare severamente loro precisione. Ecografia 3D può migliorare la visibilità dei dispositivi medici in determinate procedure cardiache e fetale quando sono circondati da fluidi5. Tuttavia, ecografia 3D non è usato per l’orientamento dell’ago, in parte dovuto le complessità connesse con interpretazione delle immagini.

Rilevamento ad ultrasuoni è un metodo che ha dimostrato il grande potenziale per migliorare il dispositivo medico visibilità6,7,8,9,10,11,12 ,13,14. Con il rilevamento a ultrasuoni, il dispositivo medico è un sensore a ultrasuoni incorporato o un trasmettitore che attivamente comunica con il sonda di imaging a ultrasuoni esterni. La posizione del dispositivo medico può essere identificata dai misurati ultrasuono tempo-di-voli tra ultrasuoni incorporato sensore/trasmettitore ed elementi diversi trasduttore della sonda. Ad oggi, rilevamento ad ultrasuoni è stata limitata a rilevamento in piano, che notevolmente ha limitato il suo uso clinico.

Qui, una dimostrazione di come 3D tracking ad ultrasuoni può essere eseguita con un sonda di imaging a ultrasuoni personalizzato e un idrofono a fibra ottica applicato all’interno della cannula di un ago è fornito (Figura 1). Questa sonda personalizzata, che è stata concepita dagli autori e realizzata esternamente, comprende una matrice centrale di trasduttore elementi e quattro matrici di lato. La matrice centrale viene utilizzata per l’imaging ad ultrasuoni 2D; le matrici di lato, per 3D ago punta tracking in concerto con il ricevitore di ultrasuono in fibra ottica. Appare come il ricevitore di ultrasuono in fibra ottica può essere posizionato e fissato all’interno della cannula dell’ago, come la precisione di rilevamento del sistema può essere misurato sul banco e come clinico può essere eseguita la convalida.

Protocol

1. sistema Hardware Il clinico imaging sonda a ultrasuoni personalizzato Creare una bozza di progetto per il layout degli elementi trasduttore della sonda personalizzata che include le matrici centrali e laterali. Inviare il progetto con il produttore di questa sonda. Con feedback dal produttore, creare un progetto dettagliato per la sonda personalizzata che include miglioramenti per le caratteristiche di frequenza del trasduttore e geometrie (Figura 2).Nota: In genere, il produttore della sonda personalizzato può progettare i sistemi elettronici, l’alloggiamento sonda e il connettore della sonda per la compatibilità per un particolare tipo di sistema di imaging a ultrasuoni. Il produttore può includere anche un interruttore di modalità di funzionamento (hardware) per determinare quale insieme di 128 elementi è stato risolto con il sistema di imaging a ultrasuoni. In modalità di imaging, la matrice centrale è indirizzata; in modalità di rilevamento, sono rivolte le matrici di lato. L’ago di rilevamento Selezionare un idrofono di ultrasuono in fibra ottica che comprende una fibra ottica monomodale con una cavità Fabry-Pérot all’estremità distale (diametro esterno (OD): 150 µm).Nota: Idrofoni che compongono una fibra ottica monomodale con una cavità Fabry-Pérot all’estremità distale (OD: 150 µm), sono disponibili in commercio. Prossimali all’estremità distale, fibre ottiche che vengono spesso utilizzate per le telecomunicazioni hanno uno strato di rivestimento (OD: 125 µm), uno strato cuscinetto (OD: 250 µm) e una giacca (OD: 900 µm). Usando un bisturi, rimuovere parzialmente la giacca di micrometro 900 lungo la lunghezza dell’idrofono di fibra ottica, vicino alla sua estremità distale, per esporre lo strato tampone fino a quando l’idrofono può andare bene all’interno della cannula dell’ago.Nota: Per robustezza meccanica, è utile mantenere la protezione buffer layer/giacca sulla sezione del cavo fibra ottica che è prossimale al connettore Luer. Prendersi cura con gestione sezione fragile della fibra dopo la giacca viene rimosso, prima di esso è protetto dalla cannula dell’ago. Appone l’aghi medicali orizzontalmente ad una fase di traslazione orizzontale manuale e visualizzare la punta dell’ago con un microscopio stereo, con l’asse ottico del microscopio allineato in orizzontale e perpendicolare all’ago. Se necessario, ruotare l’ago attorno al suo asse in modo che la superficie di smussatura dell’ago può essere visto con il microscopio. Con l’estremità distale dell’ago in vista al microscopio, inserire il ricevitore in fibra ottica ad ultrasuoni attraverso la cannula di un adattatore Tuohy-Borst Sidearm e successivamente tramite il connettore Luer dell’ago fino a quando la regione sensibile l’idrofono è solo prossimale alla superficie di smussatura dell’ago. In questa fase, l’adattatore Sidearm non deve essere collegato all’ago. Apporre l’idrofono per la fase di traduzione (polyimide nastro funziona bene) per evitare la circolazione all’interno dell’ago. Apporre l’idrofono per la fase di traduzione con nastro di polyimide per evitare il movimento del dispositivo all’interno dell’ago. In verticale affisso un 20-microliter pipetta per la fase di traslazione verticale con la punta rivolta verso il basso e usare entrambe le fasi di traduzione in orizzontale e verticale per posizionare la micropipetta punta fino a quando è adiacente all’idrofono in fibra ottica e circa 0,5 mm prossimale alla regione sensibile all’estremità distale. Mettere una goccia di adesivo ottico all’estremità prossimale della micropipetta e regolare l’ago per consentire un percorso diretto dalla punta della micropipetta per il ricevitore di ultrasuono in fibra ottica. Quindi utilizzare una siringa 10 mL per applicare pressione all’estremità prossimale della micropipetta per erogare gradualmente l’adesivo dal distale nel ricevitore in fibra ottica ad ultrasuoni, avendo cura di evitare l’applicazione dell’adesivo per la regione di rilevamento o che occlude la cannula, e illuminare la punta dell’ago con luce ultravioletta fino a quando l’adesivo ottico è guarito. 2. sistema integrazione Collegare l’idrofono alla sua console ottico.Nota: Ottiche console che forniscono un segnale di analogico di tensione proporzionale alla pressione ricevuta sono disponibili commercialmente. Collegare il sonda nella console di ultrasuono di imaging a ultrasuoni personalizzato. Eseguire interleaved acquisizioni di immagini ecografia B-mode e impulsi codificato ad ultrasuoni per il rilevamento di10,14. Per acquisizione di immagini di ultrasuono di B-mode, eseguire pulse-echo sequenze con gli elementi della matrice centrale di trasmissione-ricezione. Utilizzare l’interruttore hardware per controllare se gli elementi della matrice laterale o gli elementi della matrice centrale sono accessibili. Digitalizzare i segnali di temporizzazione secondo l’avvio delle trasmissioni di ultrasuono e i segnali di idrofono simultaneamente con una scheda di acquisizione (DAQ). Processo e Visualizza i segnali acquisiti dall’impulso-eco trasmissione-ricezione sequenze, per ottenere immagini ecografia B-mode. Inoltre, elaborare e visualizzare i segnali di idrofono per localizzare il ricevitore in fibra ottica ad ultrasuoni rispetto la sonda personalizzato. Per l’attività di quest’ultimo, gli algoritmi sono descritti da Xia et al. 12 , 14 Sovrapporre le posizioni di punta dell’ago sulle immagini di ultrasuono di B-modo. Per visualizzare monitoraggio informazioni in una visualizzazione di immagini ecografia 2D 3D, la posizione della punta dell’ago (coordinate laterale e profondità) può essere indicata con una croce; il lato dell’imaging e fuori-di-piano distanza aereo, con la dimensione e il colore di questa croce, rispettivamente. 3. pre-clinico convalida Selezionare la modalità di funzionamento utilizzando l’interruttore sulla sonda imaging ad ultrasuoni. Aggiungere il gel per ultrasuoni sonda ecografica personalizzato imaging. Preparare un fantasma di ultrasuono fetale con l’aggiunta di acqua per imitare il liquido amniotico. Usando la formazione immagine di ultrasuono di B-mode, identificare il liquido amniotico nel fantasma come la destinazione di inserimento.Nota: La destinazione di inserimento dipenderà il contesto; potrebbe includere una particolare regione del tessuto per la diagnosi o la terapia durante una procedura clinica, o un luogo designato in un fantasma imaging per imitare una regione di tessuto. Inserire l’ago verso l’obiettivo di inserimento. Durante l’inserimento, si alternano tra le modalità di funzionamento (imaging e rilevamento) continuamente utilizzando l’interruttore sulla sonda personalizzata.

Representative Results

L’esperimento sugli animali è stata condotta conformemente ai regolamenti UK Home Office e la guida per l’atto di funzionamento degli animali (procedure scientifiche) (1986). La pecora era ospitata conformemente alle linee guida UK Home Office relative al benessere degli animali; gli esperimenti sono stati condotti sotto la licenza progetto Home Office 70/7408 intitolato “Terapia prenatale con cellule staminali e trasferimento genico”. Approvazione etica per esperimenti di pecore è stato fornito dalla University College London, Regno Unito e l’Animal Welfare etica Review Boards del Royal Veterinary College. Con approvazione etica in luogo, è stata usata una pecora incinta per validazione preclinica in vivo . Dopo aver ricevuto supposte intravaginali progesterone per 2 settimane, le pecore erano tempo di accoppiamento per indurre l’ovulazione, come descritto da David et al. 34 a 130 giorni di gestazione, una pecora incinta era affamata durante la notte con una pecora incinta compagno. La pecora poi subito anestesia generale indotta con sodio tiopentale 20 mg kg-1 per via endovenosa ed è stata mantenuta con 2-2.5% isoflurane in ossigeno dopo intubazione tramite un ventilatore. Corretta intubazione è stata confermata dall’ascolto ai polmoni bilateralmente. L’anestesia è stata confermata dalla valutazione del riflesso corneale. Saturazione dell’ossigeno è stata misurata continuamente utilizzando un monitor di saturazione sulla lingua o dell’orecchio. La pecora è stato disposto sulla schiena in semi-recundancy e un tubo nasogastric è stato passato per facilitare il passaggio del contenuto dello stomaco. Un lubrificante oculare è stato applicato agli occhi per tenerli umidi. Dopo il taglio del vello, l’addome della pecora era doppia bella strofinata con un disinfettante della pelle. Sterile gel di accoppiamento è stato applicato all’addome e l’esame di ultrasuono è stato usato per confermare l’età gestazionale del pecora34 e valutare bugia fetale. Alla fine della chirurgia era eutanasia animale utilizzando una dose eccessiva di sodio tiopentale (40 mg kg-1 per via endovenosa). Il praticante (ALD) identificato il cordone ombelicale come un obiettivo. Un ago è stato inserito nella cavità uterina, e la punta è stata rintracciata lungo una traiettoria che ha raggiunto una distanza fuori del piano di 15 mm e una profondità di 38 mm (Figura 3). Golay codifica migliorato il SNR, con un 7.5-fold aumento rispetto al convenzionale eccitazione bipolare (Figura 3B). Le posizioni di punta dell’ago cingolati 3D erano sovrapposta all’immagine ecografia 2D utilizzando croci con larghezze indicative della distanza fuori del piano e del colori indicativi dell’imaging (punto 2.6) (Figura 3). Figura 1: Panoramica del sistema. Un’ecografia (US) sonda di monitoraggio/imaging consente sia imaging US 2D e 3D dell’ago di rilevamento. È guidato da un scanner US che consente di controllare il monitoraggio trasmissioni di elemento. Un pulsante consente la selezione elettronica degli elementi trasduttore di alternare tra due modalità di funzionamento: imaging con la matrice centrale e tracking con matrici di lato. Un ricevitore fibra ottica idrofono (FOH) ultrasuono, posizionato all’interno del lume di un ago di 20G, riceve le trasmissioni dalle matrici di lato. T/r: trasmissione e ricezione; LT: trigger linea; FT: trigger telaio; PC: personal computer; DAQ: scheda di acquisizione dati. Questa figura e la didascalia sono riprodotti con l’autorizzazione di Xia, w. et al. 14. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2: layout di elemento trasduttore del sonda di imaging a ultrasuoni personalizzato. Una matrice centrale con 128 elementi e una lente acustica permette di imaging. Matrici di lato, con 32 elementi per riga e 128 elementi in totale, abilitare il rilevamento 3D dell’ago. Questa figura e la didascalia sono riprodotti con l’autorizzazione di Xia, w. et al. 14. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3: Ago inserimento con 3D tracking in vivo. Posizioni di punta dell’ago (A) cingolati (cerchi: P1-P6) ottenuti durante un inserimento nella cavità uterina di una pecora incinta. (B) rapporti segnale-rumore (SNRs) i segnali di rilevamento (imaging aereo: X = 0). (C) sovrapposizione di 3 delle posizioni rilevate su un’immagine 2D di US che è stata acquisita con la matrice centrale. La lunghezza di end-to-end di ogni croce corrispondeva alla distanza fuori del piano; il colore (rosso/giallo) corrispondeva al lato dell’aereo imaging. Principali caratteristiche anatomiche sono raffigurate con contorni (a destra). S: pelle; PF: grasso percutaneo; UW: parete utero; AF: liquido amniotico; UC: cordone ombelicale; FA: addome fetale. Questa figura e la didascalia sono riprodotti con l’autorizzazione di Xia, w. et al. 14. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Qui dimostriamo come 3D rilevamento ad ultrasuoni può essere eseguita con un sonda di imaging a ultrasuoni personalizzato e un idrofono a fibra ottica integrata all’interno di un ago. Dal punto di vista clinico, diversi aspetti della sonda personalizzato sviluppato in questo studio sono attraenti. Le sue dimensioni compatte sono adatta per l’utilizzo in spazi ristretti come axilla dove manovrare ingombranti 3D imaging sonde è impegnativo. Una limitazione dell’implementazione del 3D per il rilevamento ad ultrasuoni presentato qui è che la commutazione manuale è stato richiesto di alternare tra imaging e modalità di rilevamento. In futuro le implementazioni, questo passaggio potrebbe essere fatto direttamente dal sistema di imaging a ultrasuoni.

L’idrofono di fibra ottica si presta bene ai ferri ad ultrasuoni di rilevamento. Suo alto grado di miniaturizzazione e flessibilità consentono per la sua integrazione in dispositivi medici con piccolo ingombro laterale. Relativi di larghezza di banda di frequenza ampia16 assicura la compatibilità con sonde ecografiche clinici differenti. Inoltre, suoi omnidirezionalità16 consente di aghi che vengono inseriti in una vasta gamma di angoli di rilevamento. Infine, la sua immunità ai disturbi da campi EM e oggetti metallici la rende impostazioni più adatte alla clinica in contrasto con rilevamento di EM. Per ottenere una maggiore sensibilità di rilevazione di ultrasuono, una cavità di Fabry-Pérot piano-concava potrebbe essere utilizzata in futuro17. In ultima analisi, il rilevamento ad ultrasuoni potrebbe combinarsi con altre modalità in una singola fibra ottica, ad esempio riflettanza spettroscopia18,19,20,21,22, 23,24di spettroscopia Raman, tomografia ottica di coerenza25,26e fotoacustico imaging27,28,29,30 , 31 , 32 , 33.

Rilevamento ad ultrasuoni ha limitazioni che sono condivisi con formazione immagine di ultrasuono. In primo luogo, eterogeneita ‘ tessuto avrà un impatto negativo rilevamento ad ultrasuoni; variazioni spaziali della velocità del suono del tessuto farà diminuire la precisione di rilevamento, come dimostrato da simulazioni numeriche in un precedente studio14. In secondo luogo, anatomiche strutture che sono altamente rifrangenti per onde ad ultrasuoni, come strutture ossee o cavità d’aria, probabilmente non sono compatibili con il rilevamento a ultrasuoni. In futuro gli studi, ottenuto con altre modalità di imaging, come C-braccio rotazione 3D tomografia computerizzata a raggi x, la posizione della punta dell’ago potrebbero essere utilizzati per valutare la precisione del tracciamento 3D ad ultrasuoni in tessuti eterogenei in vivo.

Nonostante gli avanzamenti recenti nella formazione immagine di ultrasuono, tracciamento preciso e manipolazione efficiente di dispositivi medici sotto la Guida di questa modalità rimangono impegnativo, anche per praticanti esperti. Comunicazione attiva tra sonde ad ultrasuoni esterno e dispositivi medici, come illustrato di seguito, potrebbe migliorare l’efficienza e la sicurezza procedura. Questi miglioramenti potrebbero facilitare notevolmente la adozione di formazione immagine di ultrasuono al posto di radioscopia dei raggi x in diversi contesti clinici, come spinali inserimenti per la gestione del dolore interventistica. Il sistema sviluppato in questo studio permette tracking 3D ad ultrasuoni ed ecografia 2D con una sonda ad ultrasuoni compatto. Si potrebbero migliorare le procedure minimamente invasive ultrasuono-guida fornendo precisa localizzazione della punta dell’ago all’interno del flusso di lavoro clinico corrente.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato supportato da un innovativo Engineering Award di salute dal Wellcome Trust (No. WT101957) e Consiglio (EPSRC) (No. di ricerca di ingegneria e scienze fisiche NS/A000027/1), di un centro di Wellcome/EPSRC aggiudicazione [203145Z/16/Z & NS/A000050/1], da una concessione a partire dal Consiglio europeo della ricerca (Grant No. ERC-2012-STG, proposta 310970 MOPHIM) e da una sovvenzione di EPSRC primo (No. EP/J010952/1). ALD è supportato l’UCL/UCLH NIHR centro ricerca biomedica completa. Gli autori sono grati al personale dell’Università veterinaria reale per il loro prezioso aiuto con esperimenti 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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