وضع بروتوكول تجريبي لتقييم أداء جديدة المسابير الموجات فوق الصوتية على أساس تكنولوجيا كمات في التطبيق لتصوير الدماغ

حاليا عائلة جديدة من مجسات الموجات فوق الصوتية القائمة على محولات الطاقة MEMS. يتم تصنيع مكونات CMUT على السيليكون ولها إمكانات كبيرة من حيث تشغيل النطاق العريض والكفاءة الحرارية الجيدة وتكلفة التصنيع المنخفضة. يصف هذا الفيديو تجربة قوية وقابلة للتكرار للبروتوكول للوصول إلى قدرات مجسات الموجات فوق الصوتية CMUT في التطبيق على تصوير الدماغ خلال مراحل النماذج الأولية المبكرة للتصميم والتطوير.

محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية بالسعة أو CMUT باختصار عبارة عن مصفوفات دقيقة التصنيع من المحركات الكهروستاتيكية الصغيرة ، كل منها يعمل كمحول طاقة ثنائي الموجات فوق الصوتية. بمزيد من التفصيل ، في كل خلية CMUT ، ينتج الإثارة الكهربائية قوة ديناميكية تستخدم بعد ذلك اهتزاز ميكانيكي للوحة المتحركة. وبالتالي تنتشر الموجات الصوتية المتولدة عبر الوسط.

يتم عكس التأثير أثناء الاستقبال. تتسبب الموجات الصوتية الناتجة عن تشتت الأنسجة في حدوث اهتزازات في اللوحة المتحركة تغير سعة خلية CMUT. ينتج عن هذا إشارة كهربائية يتم تضخيمها بشكل أكبر ونقلها إلى نظام الموجات فوق الصوتية.

هذا هو مسبار CMUT الخطي المستخدم في التجارب الموضحة في هذا الفيديو. يحتوي رأس المسبار الموجود على اليسار على مصفوفة CMUT المغطاة بعدسة صوتية. تظهر الصورة الموجودة على اليمين رأس المسبار المعبأ مع الكبل متعدد القنوات الذي يربطه بنظام الموجات فوق الصوتية.

هذه هي نظرة عامة على البروتوكول الذي سيتم عرضه. في خطوة التصميم الأولية ، يتم تحديد استراتيجية تحديد المواقع للكرات الزجاجية البارزة ويتم إعداد Agar Phantom للمعايرة. في مجموعة تحضير العينة ، يتم تحضير دماغ البقر عن طريق إدخال الكرات الزجاجية في مواضع محددة مسبقا وتثبيتها في الفورمالين.

ثم يتم تمرير دماغ البقر المحضر إلى فحص التصوير بالرنين المغناطيسي للحصول على صور ثلاثية الأبعاد. ثم يتم تحديد الأوضاع النوعية على صور التصوير بالرنين المغناطيسي ثلاثية الأبعاد بمساعدة الخبراء. يتطلب إعداد البيئة التجريبية زرع علامات التتبع السلبية لمسبار الموجات فوق الصوتية وتوصيل ماسح ULOB ونظام تتبع الحركة.

ثم يلزم وجود مجموعتين من المعايرة ، واحدة للعلامات المثبتة على مسبار الموجات فوق الصوتية والأخرى لتحويل مواضع تعقب الحركة إلى مواضع في صورة التصوير بالرنين المغناطيسي ثلاثية الأبعاد المستهدفة. سيتم إجراء عمليات الحصول على صور الموجات فوق الصوتية باستخدام أداة التصور في الوقت الفعلي لمطابقة الأوضاع النوعية المحددة مسبقا. في الخطوة الأخيرة من المعالجة اللاحقة ، يتم تسجيل صور الموجات فوق الصوتية على صورة التصوير بالرنين المغناطيسي ثلاثية الأبعاد المستهدفة.

يتم أيضا إعادة بناء الصور المتحركة يدويا إلى أحجام ثلاثية الأبعاد. تتضمن العملية الأولية لنشاط المعايرة الذي سيتم إظهاره لاحقا استخدام شبح مصنوع من هلام أرجالا مع أنماط من الكرات الزجاجية المضمنة فيه. لتحقيق أقصى قدر من الواقعية والموثوقية لبروتوكول التقييم ، تم اختيار أدمغة الأبقار التي تم الحصول عليها من سلسلة التوريد الغذائية القياسية كأهداف للتصوير.

تم تحضير العينات عن طريق إدخال كرات زجاجية في مواضع محددة مسبقا. ثم تم غمر العينات في محلول فورماليد وحفظها بهذه الطريقة لمدة ثلاثة أسابيع على الأقل حتى التثبيت الكامل. ثم تم الحصول على فحوصات متعددة بالرنين المغناطيسي لدماغ الأبقار باستخدام تسلسلات انتظار مختلفة.

كما يتضح ، فإن الكرات الزجاجية واضحة جيدا في صور التصوير بالرنين المغناطيسي. يتم فرض قابلية تكرار الحصول على صور الموجات فوق الصوتية من خلال تعريف 12 وضعية افتراضية. كل من هذه الوضعيات المحددة مسبقا تشير إلى منطقة في دماغ الأبقار غنية بالسمات المورفولوجية وعدم تجانس الأنسجة.

يوفر روتين برنامج محدد ملاحظات مرئية في الوقت الفعلي حول الموضع الحالي واتجاه مسبار الموجات فوق الصوتية باستخدام بيانات من نظام تتبع الحركة. هذا هو نظام الموجات فوق الصوتية الكامل والمتكامل. على الذراع الميكانيكية ، يتم توصيل مسبار CMUT بنظام ULA-OP ، والذي يستخدم جهاز كمبيوتر متصل بواسطة USB للتحكم والبرمجة والتصور.

ويجب تثبيت مسبار الموجات فوق الصوتية المستخدم في هذا البروتوكول بترتيب من العلامات العاكسة بحيث يمكن تسجيل موضعه واتجاهه بواسطة نظام تتبع الحركة. يتم غمر الشبح في خزان مياه داخل مجال رؤية مستشعر موضع الأشعة تحت الحمراء الذي يسجل موضع واتجاه نمط مصنف من العلامات العاكسة وينقلها بواسطة USB إلى جهاز كمبيوتر منزلي. يتم تسجيل موضع كل كرة زجاجية باستخدام أداة مؤشر.

يتم تشغيل التسجيل بواسطة المشغل. الهدف من المعايرة هو إيجاد التحول الهندسي من إطار الصورة الجوهري للمسبار إلى الإطار المرجعي للعلامات العاكسة باستخدام مواضع الكرات الزجاجية كما تم استخراجها من صور الموجات فوق الصوتية. بمجرد أن تصبح الكرات مرئية في صور الموجات فوق الصوتية ، يتم حظر الذراع الميكانيكية ويتم الحصول على الصورة.

ثم يتم استيراد صور الموجات فوق الصوتية للمعايرة في أداة تصور يتم فيها تمييز مواضع الكرات يدويا وحفظها في ملف. ثم يتم حساب التحويل الهندسي تلقائيا من خلال مقارنة كل هذه المواضع مع المواضع المقابلة المسجلة بواسطة نظام تتبع الحركة. بالنسبة لموضع صور الموجات فوق الصوتية ، وهو الهدف من البروتوكول ، بعد الغسيل الكامل ، يتم تثبيت دماغ البقر أولا على صفيحة بلاستيكية ثم غمره في خزان مياه داخل مجال رؤية نظام تتبع الحركة.

يتم تسجيل مواضع جميع الكرات الزجاجية المضمنة في دماغ الأبقار يدويا باستخدام نظام تتبع الحركة وأداة المؤشر. يتم تخزين جميع المواضع التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة في ملف سجل. الهدف من نشاط المعايرة الثاني هو إيجاد التحول الهندسي من الفضاء المادي لنظام تتبع الحركة إلى وجه كل صورة بالرنين المغناطيسي.

تظهر هذه الصورة جميع مواضع المؤشر المسجلة داخل المرحلة ثلاثية الأبعاد لصورة MR واحدة. هنا نرى روتين التغذية الراجعة المرئية الذي يتم تهيئته بعد المعايرة. تكون الوضعيات الافتراضية ال 12 المحددة مسبقا مرئية للمشغل في طريقة العرض ثلاثية الأبعاد.

هنا يتوافق المخروط الأحمر مع مسبار الموجات فوق الصوتية الذي يحمله المشغل. يتم تسجيل موضع المسبار بواسطة نظام تتبع الحركة وتحويله في الوقت الفعلي لتقديم ملاحظات مرئية. هنا يقوم نظام ULOB بتسجيل الصور بترددين في وقت واحد.

بمجرد اعتبار الحافة مرضية ، يتم تجميد صورة الموجات فوق الصوتية وحفظها على القرص. طريقة الاستحواذ المختلفة هي عن طريق المسح اليدوي لمسبار الموجات فوق الصوتية الذي يتم إجراؤه بينما تمت برمجة نظام ULOB لإجراء عمليات استحواذ سريعة ومتكررة بالتسلسل. بهذه الطريقة ، يمكن تغطية أحجام فرعية كاملة من دماغ البقر في كل عملية مسح.

والنتيجة هي سلسلة من الشرائح ، كل منها عبارة عن صورة بالموجات فوق الصوتية bmod يتم حفظها على القرص ككل. كل تسلسل مخصص للمعالجة اللاحقة. عندما ترتبط كل شريحة بالموضع والاتجاه اللحظي الذي يوفره نظام تتبع الحركة ويتم دمجها لتشكيل صورة ثلاثية الأبعاد للحجم الفرعي المقابل.

بشكل عام ، الهدف من المعالجة اللاحقة للصور في هذا البروتوكول هو تمكين التحليل البصري المقارن للصور بالموجات فوق الصوتية باستخدام صور التصوير بالرنين المغناطيسي بعد التسجيل الخاص. هنا نرى مجموعة البيانات المكونة من 12 صورة تتوافق مع أوضاع محددة مسبقا مجتمعة في إعادة بناء ثلاثية الأبعاد بعد التسجيل المكاني. باستخدام أداة برمجية للتصور ، يمكن رؤية كل صورة بالموجات فوق الصوتية المقابلة لوضع محدد مسبقا في التراكب على الشريحة المقابلة من صورة التصوير بالرنين المغناطيسي ثلاثية الأبعاد ويمكن تقييم نقاء محتويات الصورة.

في هذه الرسوم المتحركة النهائية ، يمكننا أن نرى نتائج إعادة البناء ثلاثية الأبعاد للتسلسلات الكاملة للصور المقطعة التي تم الحصول عليها بمسح واحد في الوضع اليدوي. بصرف النظر عن عدد قليل من القطع الأثرية لإعادة الإعمار ، تعطي جودة هذه الصور فكرة واضحة عن مستوى الأداء الذي يمكن تحقيقه باستخدام التكنولوجيا والتطبيق على تصوير الدماغ. النتيجة الرئيسية التي تم تحقيقها من خلال التجارب الموصوفة هي إثبات فعالية البروتوكول لتقييم أداء تصوير مسبار CMUT وعلى النظام المتكامل للأجهزة والأدوات البرمجية لكل تنفيذ.

بالإضافة إلى ذلك ، تم الحصول على مجموعات بيانات كاملة من صور الموجات فوق الصوتية المسجلة والتصوير بالرنين المغناطيسي ويمكن استخدام ذلك لدعم الحالة البعيدة في تحليل الصور الآلي. في الختام ، يعد البروتوكول التجريبي المقدم في هذا الفيديو طريقة فعالة وقابلة للتكرار لتقييم قدرات التصوير لمجسات الموجات فوق الصوتية المبتكرة CMUT. في تحقيقه ، أثبت دمج الأدوات المفتوحة للأجهزة والبرمجيات أنه أساسي.

يمكن تعزيز التحليل البصري للتصوير بالموجات فوق الصوتية المقارنة بالرنين المغناطيسي الذي تسمح به الطريقة بشكل أكبر من خلال دمج تقنيات برمجية أكثر تعقيدا.