Üç boyutlu ultrasonik iğne ucu ile bir Fiber optik ultrason alıcı izleme
Summary
Doğru ve etkili görselleştirme invaziv tıbbi cihazların ultrason destekli birçok minimal invaziv yordamlarda da son derece önemlidir. Burada, bir iğne ucu ultrason görüntüleme sonda göre kayma konumunu yerelleştirme için bir yöntem sunulur.
Abstract
Ultrason sık yol gösterici minimal invazif işlemler için kullanılır, ancak tıbbi cihazlar görselleştirme kez bu görüntüleme yöntemi ile meydan okuyor. Görselleştirme kaybolursa, tıbbi cihaz kritik doku yapıları travmaya neden olabilir. Burada, iğne ucu ultrason görüntü güdümlü işlemler sırasında izlemek için bir yöntem sunulur. Bu yöntem içinde yapılması dış ultrason sonda ile iletişim kurmak için tıbbi bir iğne kanül yapıştırılmış bir fiber optik ultrason alıcı kullanımını gerektirir. Bu özel soruşturma merkezi dönüştürücü elemanlı bir dizi ve yan öğe diziler oluşmaktadır. Merkez İstasyon tarafından sağlanan geleneksel iki boyutlu (2D) B-mod ultrason görüntüleme ek olarak, üç boyutlu (3D) iğne ucu izleme yan dizileri tarafından sağlanır. B-mod ultrason görüntüleme için bir standart transmit-receive sıra elektronik demetleme ile gerçekleştirilir. Ultrasonik takibi için 4 yan diziler iletimlerinden deniyordun kodlu ultrason hidrofon algılayıcı tarafından alınır ve daha sonra alınan sinyaller ultrason görüntüleme ile ilgili olarak iğne uç uzamsal konum belirlemek için kodu çözülmüş sonda. Ön doğrulama Bu yöntemin klinik olarak gerçekçi bağlamlarda iğne/hidrofon çiftinin eklemeler yapıldı. Görüntüleme/Yöntem izlemeyi bu roman ultrason geçerli klinik iş akışı ile uyumlu ve güvenilir cihaz izleme-uçak ve uçak iğne ekleme sırasında sağlar.
Introduction
Doğru ve etkili yerelleştirme invaziv tıbbi cihazların son derece birçok ultrason destekli minimal invaziv yordamlarda isteniyorsa. Bu yordamları bölgesel anestezi ve Girişimsel ağrı yönetimi1, girişimsel Onkoloji2ve fetal tıp3gibi klinik bağlamlarda karşılaşılmaktadır. Tıbbi cihaz ipucu görselleştirme ultrason görüntüleme ile zor olabilir. Ekleme açıları dik olduğunda sırasında uçak-eklemeler, iğneler genellikle kötü görüş var. Ayrıca, sırasında uçak eklemeler, iğne mili iğne ucu algılanacak. İğne ucu ultrasonik görünür olmadığında, kritik doku yapıları zarar tarafından komplikasyonlara neden olabilir.
Pek çok yöntem ultrason görüntüleme sırasında tıbbi cihazlar yerelleştirmek kullanılabilir, ancak geçerli klinik akışıyla uyumlu bir güvenilir bir son derece arzu edilir. Echogenic yüzeyler dik açı uçak-eklemeler4sırasında görünürlüğünü artırmak için kullanılabilir. Elektromanyetik izleme sistemleri uçak eklemeler sırasında kullanılabilir ancak elektromanyetik alan bozuklukları ciddi doğruluklarını düşürebilir. Sıvı5tarafından çevrili olan 3D ultrason görüntüleme görünürlük bazı kalp ve fetal prosedürleri tıbbi cihazların artırabilirsiniz. Ancak, 3D ultrason görüntüleme yaygın olarak iğne rehberlik için kısmen görüntü yorumu ile ilişkili karmaşıklığı nedeniyle kullanılır.
Ultrasonik izleme tıbbi cihaz görünürlüğü6,7,8,9,10,11,12 geliştirmek için büyük bir potansiyel göstermiştir bir yöntemdir ,13,14. Ultrasonik izleme ile tıbbi cihaz bir katıştırılmış ultrason sensörü veya aktif dış ultrason sonda Imaging ile iletişim kurmak için kullandığı verici vardır. Tıbbi cihaz pozisyon ölçülmüş ultrason saat-in-uçuşlar gömülü ultrason sensör/verici ve sonda farklı dönüştürücü unsurları arasında üzerinden tespit edilebilir. Bugüne kadar ultrasonik izleme büyük ölçüde klinik kullanımı sınırlı sahip uçak-izleme için sınırlı olmuştur.
Burada, nasıl 3D ultrasonik takip bir gösteri özel bir ultrason sonda Imaging ile gerçekleştirilebilir ve iğne kanül içinde yapıştırılmış bir fiber optik Hidrofon (Şekil 1) sağlanır. Olan yazarlar tarafından tasarlanmış ve harici olarak üretilen, bu özel sonda dönüştürücü öğeleri merkezi bir dizi ve dört yan diziler oluşmaktadır. Merkez dizi 2D ultrason görüntüleme için kullanılır; yan diziler 3D için fiber optik ultrason alıcısıyla konserde izleme ucu iğne. Nasıl fiber optik ultrason alıcının yerleştirilmiş olabilir ve içinde iğne kanül yapıştırılmış gösterilir, nasıl sistem izleme doğruluğu benchtop üzerinde ölçülen ve ne kadar klinik olabilir doğrulama yapılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada biz göstermek nasıl 3D ultrasonik izleme özel bir ultrason sonda Imaging ile gerçekleştirilen ve fiber optik hidrofon entegre bir iğne içinde. Bir klinik çeviri açısından bu çalışmada geliştirilen özel soruşturma çeşitli yönleri caziptir. Kompakt boyutları küçük alanlarda hantal 3D probları Imaging manevra zorlu nerede koltuk altı gibi kullanmak için çok uygundur. Burada sunulan 3D ultrasonik takip uygulanması bir sınırlama el ile geçiş görüntüleme ve izleme modları arasında geçiş için gerekli olmasıdır. Gelecekte uygulamaları, bu geçiş doğrudan görüntüleme sistemi ultrason tarafından yapılabilir.
Fiber optik hidrofon izleme ultrasonik iğne için uygundur. Minyatür ve esnekliği yüksek lisans izin için onun entegrasyon küçük yanal boyutları ile tıbbi cihazların içine. Onun geniş frekans bant genişliği16 farklı klinik Ultrason probları ile uyumluluk sağlar. Ayrıca, onun omnidirectionality16 açıların geniş bir aralığa eklenen iğneler izlemek için sağlar. Son olarak, onun bağışıklık bozuklukları EM alanları ve metal nesneler bu EM izleme aksine daha klinik için uygun ayarları yapar. Büyük ultrason algılama hassasiyet elde etmek için bir plano içbükey Fabry-Pérot çürük gelecek17‘ kullanılabilir. Sonuçta, ultrasonik izleme bir tek fiber optik, yansıma spektroskopisi18,19,20,21,22, gibi diğer yöntemleri ile birlikte 23, Raman spektroskopisi24, optik koherens tomografi25,26ve27,28,29,30 görüntüleme photoacoustic , 31 , 32 , 33.
Ultrasonik izleme ultrason görüntüleme ile paylaşılan sınırlamaları vardır. İlk olarak, doku heterogeneities ultrasonik izleme olumsuz etkisi olacaktır; kayma varyasyonları ses doku içinde belgili tanımlık hız, bir önceki çalışmada14sayısal simülasyonlar tarafından gösterildiği gibi izleme doğruluğu azalır. Ultrason dalgaları, kemikli yapıları gibi yüksek oranda yansıtıcı veya boşluklar, hava ikinci, anatomik yapılar muhtemelen ultrasonik izleme ile uyumlu değildir. Gelecekte çalışmaları, 3D dönme C-kol x-ışını tomografi, bilgisayarlı gibi diğer görüntüleme yöntemleri ile elde edilen iğne ucu pozisyon türdeş olmayan doku vivo içinde3D ultrasonik takip doğruluğunu değerlendirmek için kullanılabilir.
Ultrason görüntüleme son gelişmeler rağmen hassas izleme ve bu modalite gözetiminde tıbbi cihazların verimli manipülasyon, zor bile uzman uygulayıcılar için kalır. Dış Ultrason probları ve tıbbi cihazlar arasında etkin iletişim burada gösterildiği gibi yordam güvenlik ve verimliliği artırabilirsiniz. Bu gelişmeler büyük ölçüde ultrason görüntüleme X-ray floroskop Girişimsel ağrı yönetimi için spinal eklemeleri gibi çeşitli klinik bağlamlarda yerine kabulü kolaylaştırabilir. Bu çalışmada geliştirilen sistemi bir kompakt ultrason sonda ile 3D ultrasonik takip ve 2D ultrason görüntüleme sağlar. Minimal invaziv yordamlar ultrason destekli geçerli klinik iş akışı içinden iğne ucunun tam yerelleştirme sağlayarak artırabilirsiniz.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser bir yenilikçi mühendislik Wellcome Trust (No tarafından sağlık ödülü tarafından desteklenmiştir WT101957) ve mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi (EPSRC) (No NS/A000027/1), bir hoş geldiniz/EPSRC Merkezi tarafından [203145Z/16/Z & NS/A000050/1], bir başlangıç Grant tarafından Avrupa Araştırma Konseyi (Grant No Ödülü ERC-2012-STG, teklif 310970 MOPHIM) ve bir EPSRC ilk hibe (No. EP/J010952/1). A.L.D. UCL/UCLH NIHR kapsamlı Biyomedikal Araştırma Merkezi tarafından desteklenir. Yazarlar Royal veteriner College personeli için in vivo deneyler ile değerli onların yardım için minnettarız.
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% |
References
- Chin, K., Perlas, A., Chan, V., Brull, R. Needle visualization in ultrasound-guided regional anesthesia: challenges and solutions. Reg. Anesth. Pain Med. 33 (6), 532-544 (2008).
- Sridhar, A. N., et al. Image-guided robotic interventions for prostate cancer. Nat. Rev. Urol. 10, 452-462 (2013).
- Daffos, F., Capella-Pavlovsky, M., Forestier, F. Fetal blood sampling during pregnancy with use of a needle guided by ultrasound: A study of 606 consecutive cases. Am. J. Obstet. Gynecol. 153 (6), 655-660 (1985).
- Hebard, S., Graham, H. Echogenic technology can improve needle visibility during ultrasound-guided regional anesthesia. Reg. Anesth. Pain Med. 36 (2), 185-189 (2011).
- Abayazid, M., Vrooijink, G. J., Patil, S., Alterovitz, R., Misra, S. Experimental evaluation of ultrasound-guided 3D needle steering in biological tissue. Int. J. Comput. Assist. Radiol. Surg. 9 (6), 931-939 (2014).
- Nikolov, S. I., Jorgen, A. J. Precision of needle tip localization using a receiver in the needle. IEEE Int Ultrason Symp. , (2008).
- Mung, J., Vignon, F., Jain, A. A non-disruptive technology for robust 3D tool tracking for ultrasound-guided interventions. MICCAI 2011. , 153-160 (2011).
- Guo, X., Tavakoli, B., Kang, H. J., Kang, J. U., Etienne-Cummings, R., Boctor, E. M. Photoacoustic active ultrasound element for catheter tracking. Proc. SPIE. 8943, 89435M (2014).
- Xia, W., et al. In-plane ultrasonic needle tracking using a fiber-optic hydrophone. Med. Phys. 42 (10), 5983-5991 (2015).
- Xia, W., et al. Coded excitation ultrasonic needle tracking: An in vivo study. Med. Phys. 43 (7), 4065-4073 (2016).
- Xia, W., et al. Interventional photoacoustic imaging of the human placenta with ultrasonic tracking for minimally invasive fetal surgeries. MICCAI 2015. , 371-378 (2015).
- Xia, W., et al. 3D Ultrasonic Needle Tracking with a 1.5D Transducer Array for Guidance of Fetal Interventions. MICCAI 2016. , 353-361 (2016).
- Xia, W., et al. Fiber optic photoacoustic probe with ultrasonic tracking for guiding minimally invasive procedures. Proc. SPIE. 9539 95390K. 9539, 95390K (2015).
- Xia, W., et al. Looking beyond the imaging plane: 3D needle tracking with a linear array ultrasound probe. Sci. Rep. 7, 3674-3682 (2017).
- Xia, W., et al. Ultrasonic Needle Tracking with a Fibre-Optic Ultrasound Transmitter for Guidance of Minimally Invasive Fetal Surgery. MICCAI 2017. , 637-645 (2017).
- Morris, P., Hurrell, A., Shaw, A., Zhang, E., Beard, P. C. A Fabry-Pérot fiber-optic ultrasonic hydrophone for the simultaneous measurement of temperature and acoustic pressure. J. Acoust. Soc. Am. 125 (6), 3611-3622 (2009).
- Zhang, E. Z., Beard, P. C. Characteristics of optimized fiber-optic ultrasound receivers for minimally invasive photoacoustic detection. Proc. SPIE. 9323, 932311 (2015).
- Desjardins, A. E., et al. Epidural needle with embedded optical fibers for spectroscopic differentiation of tissue: ex vivo feasibility study. Biomed. Opt. Exp. 2 (6), 1452-1461 (2011).
- Desjardins, A. E., et al. Needle stylet with integrated optical fibers for spectroscopic contrast during peripheral nerve blocks. J. Biomed. Opt. 16 (7), 077004 (2011).
- Rathmell, J. P., et al. Identification of the Epidural Space with Optical Spectroscopy: An In Vivo Swine Study. Anesthesiology. 113 (6), 1406-1418 (2010).
- Balthasar, A., et al. Optical Detection of Vascular Penetration during Nerve Blocks: An in vivo Human. Reg. Anesth. Pain Man. 37 (1), 3-7 (2012).
- Brynolf, M., et al. Optical Detection of the Brachial Plexus for Peripheral Nerve Blocks: An in vivo Swine Study. Reg. Anesth. Pain Man. 36 (4), 350-357 (2011).
- Soto-Astorga, R. P., West, S. J., Putnis, S., Hebden, J. C., Desjardins, A. E. Epidural catheter with integrated light guides for spectroscopic tissue characterization. Biomed. Opt. Express. 4 (11), 2619-2628 (2013).
- Anderson, T. A. Raman Spectroscopy Differentiates Each Tissue From the Skin to the Spinal Cord: A Novel Method for Epidural Needle Placement?. Anesthesiology. 125 (4), 793-804 (2016).
- Xie, Y., Bonin, T., Löffler, S., Hüttmann, G., Tronnier, V., Hofmann, U. G. Coronal in vivo forward-imaging of rat brain morphology with an ultra-small optical coherence tomography fiber probe. Phys. Med. & Biol. 58 (3), 555-568 (2013).
- Xie, Y., Harsan, L. A., Bienert, T., Kirch, R. D., Von Elverfeldt, D., Hofmann, U. G. Qualitative and quantitative evaluation of in vivo SD-OCT measurement of rat brain. Biomed. Opt. Express. 8 (2), 593-607 (2017).
- Xia, W., et al. Performance characteristics of an interventional multispectral photoacoustic imaging system for guiding minimally invasive procedures. J. Biomed. Opt. 20 (8), 086005 (2015).
- Mari, J. -. M., Xia, W., West, S. J., Desjardins, A. E. Interventional multispectral photoacoustic imaging with a clinical ultrasound probe for discriminating nerves and tendons: an ex vivo pilot study. J. Biomed. Opt. 20 (11), 110503 (2015).
- Xia, W., et al. An interventional multispectral photoacoustic imaging platform for the guidance of minimally invasive procedures. Proc. SPIE. 9539, 95390D (2015).
- Xia, W., West, S. J., Nikitichev, D. I., Ourselin, S., Beard, P. C., Desjardins, A. E. Interventional multispectral photoacoustic imaging with a clinical linear array ultrasound probe for guiding nerve blocks. Proc. SPIE. 9708, 97080C1-97080C6 (2016).
- Gandhi, N., Allard, M., Kim, S., Kazanzides, P., Bell, M. A. L. Photoacoustic-based approach to surgical guidance performed with and without a da Vinci robot. J. Biomed. Opt. 22 (12), 121606 (2017).
- Bell, M. A. L., Kuo, N. P., Song, D. Y., Kang, J. U., Boctor, E. M. In vivo visualization of prostate brachytherapy seeds with photoacoustic imaging. J. Biomed. Opt. 19 (12), 126011 (2017).
- Piras, D., Grijsen, C., Schütte, P., Steenbergen, W., Manohar, S. Photoacoustic needle: minimally invasive guidance to biopsy. J. Biomed. Opt. 18 (7), 070502 (2013).
- David, A. L., et al. Clinically applicable procedure for gene delivery to fetal gut by ultrasound-guided gastric injection: toward prenatal prevention of early-onset intestinal diseases. Hum. Gene Ther. 17 (7), 767-779 (2006).
