Fast Methods for Mapping Focused Ultrasound Pressure Fields

绘制聚焦超声压力场的快速方法

基本信息

  • 批准号:
    9388181
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 23.57万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-07-01 至 2019-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary The goal of this R21 EBRG project is to develop new optical methods to map high intensity focused ultrasound (HIFU) pressure fields. The methods would enable simple, fast, and low-cost in situ HIFU beam measurements, which are needed for quality assurance and safety in the clinic, and to accelerate the pace of research and development of new HIFU applications and technologies. An ideal beam mapping instrument would be low cost, capable of rapidly measuring relevant acoustic parameters of clinical HIFU systems in situ between treatments, and usable by nontechnical experts. Needle hydrophones are currently the gold standard tool for mapping HIFU pressure fields, but are poorly suited to the measurement task since they sample only one spatial location at a time, and most can only measure sub- therapeutic pressures. They can be translated in a water tank by a motion stage to produce spatially-resolved pressure maps, but this is a slow and cumbersome measurement that can take several hours to complete. The techniques proposed in this application could meet this clinical need and also provide a fast, flexible, and spatially- resolved beam mapping instrument that would be invaluable for HIFU research since it would enable rapid val- idation and experimental designs that are currently infeasible, such as mapping pressure fields across multiple experimental variables. Standard optical schlieren imaging has a long history in 2D and 3D ultrasound pressure field mapping but has conventionally been applied using sophisticated and expensive high-speed optical setups with limited field-of-view, limited portability and high cost. The methods and devices proposed in this project are instead based on a newer schlieren technique called background oriented schlieren (BOS) imaging, and in their simplest form can be implemented using just a water tank, a tablet PC and a webcam. In essence, BOS trades the sophisticated optical setup for more sophisticated computation, which is a much cheaper commodity. The central innovation in this project is to use BOS imaging to quantitatively map continuous-wave HIFU pressure fields in 2D and 3D. The first Aim is to develop portable hardware for BOS imaging and tomography, that can be used with a wide variety of HIFU systems in situ. The second Aim is to develop the mathematical theory underlying the BOS image formation process for HIFU beam mapping, which is different from conventional BOS imaging since the underlying refractive index field is not static. The third Aim is to develop acquisition and reconstruction methods that produce quantitative spatially-resolved pressure field maps, and validate those maps against simulations and optical hydrophone measurements of state-of-the-art HIFU systems. By developing and disseminating BOS hardware, theory, and methods for quantitative 2D and 3D HIFU beam mapping, this development project will lead to fast, simple and robust devices that can be widely adopted and even shipped with each clinical HIFU system for regular quality assurance and exposimetry measurements.
项目概要 R21 EBRG 项目的目标是开发新的光学方法来绘制高强度聚焦超声图 (HIFU)压力场可以实现简单、快速且低成本的原位 HIFU 光束测量, 这是临床质量保证和安全所需的,并加快研究和开发的步伐 开发新的 HIFU 应用和技术。 理想的波束测绘仪器成本低廉,能够快速测量相关声学 治疗之间的临床 HIFU 系统参数,可供非技术专家使用。 水听器目前是绘制 HIFU 压力场的黄金标准工具,但不太适合 测量任务,因为它们一次仅采样一个空间位置,并且大多数只能测量子 它们可以通过运动平台在水箱中转换以产生空间分辨的压力。 压力图,但这是一种缓慢而繁琐的测量,可能需要几个小时才能完成。 本申请中提出的技术可以满足这种临床需求,并且还提供快速、灵活和空间化的方法。 解析光束映射仪器对于 HIFU 研究来说是无价的,因为它可以实现快速验证 目前不可行的识别和实验设计,例如绘制多个区域的压力场 标准光学纹影成像在 2D 和 3D 超声压力方面有着悠久的历史。 场测绘,但传统上是使用复杂且昂贵的高速光学装置来应用 该项目提出的方法和设备具有有限的视野、有限的便携性和高成本。 相反,基于一种称为背景定向纹影 (BOS) 成像的新型纹影技术,并且在其 最简单的形式只需使用水箱、平板电脑和网络摄像头即可实现。本质上,BOS 进行交易。 用于更复杂计算的复杂光学装置,这是一种更便宜的商品。 该项目的核心创新是使用 BOS 成像来定量绘制连续波 HIFU 第一个目标是开发用于 BOS 成像和断层扫描的便携式硬件, 可以在原位与各种 HIFU 系统一起使用第二个目标是开发数学。 HIFU 光束映射的 BOS 成像过程的理论基础,不同于传统的 由于底层折射率场不是静态的,所以 BOS 成像的第三个目标是开发采集功能。 和重建方法,产生定量的空间分辨压力场图,并验证这些 通过开发,针对最先进的 HIFU 系统的模拟和光学水听器测量绘制地图。 并传播用于定量 2D 和 3D HIFU 波束映射的 BOS 硬件、理论和方法,这 开发项目将带来快速、简单和强大的设备,可以被广泛采用甚至发货 与每个临床 HIFU 系统一起进行定期质量保证和曝光测量。

项目成果

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专著数量(0)
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