基于电容式微加工超声换能器（CMUT）技术的新型超声（US）探头研发，需要在早期对成像能力进行真实可靠的评估。本文描述了一种可重复的实验方案，用于超声图像的采集，并与磁共振图像进行对比，使用一个 离体 以牛脑作为成像目标。
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摘要
摘要
在新型超声（US）探头的设计与开发过程中，能够进行早期且可重复的成像性能评估至关重要。特别是采用针对特定应用的成像目标进行更为真实的分析，对于评估超声探头在其潜在临床应用领域中的预期性能具有极高价值。
本研究中提出的实验方案旨在针对基于电容式微加工超声换能器（CMUT）技术的新型超声探头原型，在脑部成像应用方面提供特定的应用评估流程。
该方案结合使用经甲醛固定的牛脑作为成像目标，以确保所描述操作的真实性和可重复性，同时引入神经外科领域的神经导航技术。超声探头实际上连接至一个运动追踪系统，该系统可采集位置数据，并实现超声图像与脑部磁共振（MR）参考图像的叠加。这为人专家提供了对超声探头成像性能进行视觉定性评估的手段，并可用于比较不同探头所获取的图像数据。此外，该方案依赖于一套完整且开放的超声图像采集研发系统。 即 超声高级开放平台（ULA-OP）扫描仪
该论文详细描述了实验方案中所涉及的仪器和操作步骤，特别是对于 超声与磁共振图像的校准、图像采集及配准。所获得的结果证明了本文提出的整体方案的有效性，该方案完全开放（在所涉仪器的限制范围内）、可重复，并涵盖了超声图像的全部采集与处理流程。
引言
小型便携式超声（US）扫描仪市场的不断增长，正推动新型超声探头的开发，其中部分信号调理和波束成形电子元件被集成到探头手柄中，尤其适用于3D/4D成像1特别适用于实现这种高度集成的新兴技术包括微机械超声换能器（MUTs）2，一类在硅基底上制造的微机电系统（MEMS）换能器。特别是电容式微加工超声换能器（CMUTs）已最终达到技术成熟阶段，使其成为下一代超声成像系统中压电换能器的有效替代方案3. CMUTs 由于与微电子技术兼容且带宽宽，非常有吸引力 - 可获得更高的图像分辨率——高热效率，最重要的是高灵敏度4在ENIAC JU项目DeNeCoR（神经控制与神经康复装置）的背景下5，正在开发 CMUT 探头6 用于美国的脑成像应用（例如 神经外科），其中需要高质量的2D/3D/4D图像以及对脑结构的精确呈现。
在新型超声探头的研发过程中，对成像性能进行早期评估的可能性至关重要。典型的评估技术包括利用组织模拟体模，通过对其内部具有已知几何形状和回声特性的嵌入目标成像，来测量分辨率和对比度等特定参数。采用与具体应用相关的成像目标进行更为真实的分析，对于在特定临床领域中对超声....
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方案
本视频中展示的所有生物样本均通过标准食品供应链获得。这些样本的处理符合相关机构的伦理和安全规定。
注意：图中的示意图 图4 总结了本方案的8个主要阶段。第1至第4阶段为初始步骤，需在美国超声（US）图像采集与处理阶段开始前一次性完成。这些初始阶段包括：1. 实验装置的初步设计及琼脂仿体（用于校准程序）的设计；2) 准备 离体 牛脑；3. 脑部磁共振图像的获取；4. 定义用于超声图像采集的目标定性位姿。第5至第8阶段涉及超声图像的采集与处理，具体包括：5. 实验设置，其中所有仪器连接并集成，所有目标位置均被安置并验证；6. 对配备被动标记物用于导航的超声探头进行校准；7. 在水中对牛脑进行超声图像采集，包括在预定义位姿下以及在 "徒手模式"；8. 联合MR/US图像数据集的后处理与可视化。阶段5可在实验开始前仅执行一次，而阶段6和阶段7则需针对每个参与的超声探头重复进行。当所有数据采集完成后，步骤8可对完整的联合数据集仅执行一次。
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结果
通过所述方案获得的主要结果是，针对基于CMUT技术的超声探头原型在脑部成像应用前景中的二维和三维成像能力，实现了一种有效且可重复的评估方法的实验验证。在完成所有所述方案步骤后，专家即可应用可视化软件功能（例如 自由取向切片，子集提取，体数据插值 等等。) 用于将配准后的超声图像的视觉内容与目标磁共振图像进行比较。特别是所获得图像的质量，并与金标准直接比较 磁共振成像（MRI）领域中，这代表了CMUT技术潜力的首个重要证据。
作为可能的视觉比较示例，图18 展示了分别使用CMUT超声探头和压电线性阵列探头获取的容积图像的两个切片，与T2加权MR图像中相应位置的同一切片叠加的结果。在这些实验中，T2加权MR图像在目标特征的可见性方面表现出最佳效果，因此被选为叠加参考。图中两幅超声图像均在9 MHz的相同频率下获取。如
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讨论
已有若干文献报道了与本方案相似或相关的技术。这些技术同样基于使用逼真的目标物，包括固定的动物或尸体脑组织，但其主要目的是用于测试各种类型的数字配准方法。
然而，此处所述方案的特定目的是在开发早期阶段测试不同构型的超声探头，因此满足了可重复性采集的一项基本要求，即在同一生物样本上以可比较的姿态进行操作。本方案借鉴了上述现有技术的诸多方面，并为实现此目的将其重新组合成一种不同的流程。
在实验方案设计和实验过程中获得的经验中，校准程序是迄今为止最关键的部分。尽管已采用多种改进措施，目前校准后整套变换的总体空间误差仍约为1-1.5 mm。该误差并非源于运动追踪器精度不足（其记录的精度在0.3 mm左右），而是由于在具有一定柔韧性的生物样本上获取精确空间读数存在困难所致。
另一方面，根据我们的经验，同步的时间精度并不是一个关键因素。事实上，运动追踪器获取位置数据的速率比人手试图保持稳定姿势的运动速度快约一个数量级。因此，本方案中计算的时间平均值可提供额外的准确性。另一个特别有效的方.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
本工作部分得到了各国国家政府和欧盟通过ENIAC JU项目DeNeCoR（资助协议号324257）的支持。作者谨向Giovanni Magenes教授、Piero Tortoli教授以及Giosuè Caliano博士致以诚挚感谢，感谢他们提供的宝贵支持、指导和富有见地的建议，使本研究得以完成。我们还要感谢Egidio D'Angelo教授及其团队（BCC实验室）以及Fondazione Istituto Neurologico C. Mondino，提供了运动追踪和磁共振仪器设备，同时感谢Giancarlo Germani进行磁共振数据采集。最后，我们感谢Nicoletta Caramia博士、Alessandro Dallai博士以及Barbara Mauti女士提供的宝贵技术支持，感谢Walter Volpi先生提供牛脑样本。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ULA-OP | 佛罗伦萨大学 | N/A | 超声成像研究系统 |
| 三维成像压电探头 | Esaote s.p.a. | 9600195000 | 机械扫描式三维超声探头，型号 BL-433 |
| 线阵压电探头 | Esaote s.p.a. | 122001100 | 超声线阵探头，型号 LA-533 |
| CMUT 探头 | 罗马第三大学 | N/A | 基于 CMUT 技术的超声线阵探头 |
| MAGNETOM Skyra 3T 磁共振扫描仪 | 西门子医疗 | N/A | 磁共振扫描仪 |
| 头部线圈 | 西门子医疗 | N/A | 用于磁共振成像的 32 通道头部线圈 |
| NDI Polaris Vicra | NDI Medical | 8700335001 | 光学运动追踪系统 |
| 指针工具 | NDI Medical | 8700340 | 带有 4 个反射标记的被动式指针工具 |
| 带夹具的工具 | NDI Medical | 8700399 | 带有 4 个反射标记和夹具的刚体，用于连接超声探头手柄 |
| 牛脑 | N/A | N/A | 来自食品供应商的成年牛脑 |
| 福尔马林溶液 | N/A | N/A | 10% 缓冲福尔马林溶液，用于牛脑固定——注意：福尔马林为有毒化学物质，必须小心操作；可能还适用特定法规（例如美国 OSHA 标准 1910.1048 附录 A） |
| 解剖组织用塑料容器 | N/A | N/A | 带盖的圆柱形塑料容器 |
| 玻璃珠 | N/A | N/A | 直径 3 mm 的燧石玻璃球 |
| 琼脂 | N/A | N/A | 30 g，用于模体制备 |
| 甘油 | AEFFE Farmaceutici | A908005248 | 100 g，用于模体制备 |
| 蒸馏水 | Solbat Gaysol | 8027391000015 | 870 g，用于模体制备 |
| 烧杯 | N/A | N/A | 用于将甘油和琼脂溶于蒸馏水的烧杯 |
| Lysoform | Lever | 8000680500014 | 使用苯扎氯铵水溶液保存琼脂模体 |
| 聚苯乙烯人体头模 | N/A | N/A | 被切割并用于设计玻璃珠排列构型的聚苯乙烯模型 |
| 组织学用绿色组织标记染料 | N/A | N/A | 用于在牛脑表面标记玻璃珠位置的颜色染料 |
| 黄色搪瓷漆 | N/A | N/A | 用于为植入琼脂模体中的玻璃珠着色的搪瓷漆 |
| 水箱 | N/A | N/A | 50×50×30 cm 的塑料水箱，注入脱气水至 15 cm 高度 |
| 机械臂 | Esaote s.p.a. | N/A | 固定在水箱边缘的机械臂，用于将探头保持在固定位置 |
| 合成树脂板 | N/A | N/A | 用于在水箱中支撑牛脑定位的平板 |
| 缝合线段 | N/A | N/A | 用于将脑组织固定在树脂板上的缝合线段 |
| 胶带 | N/A | N/A | 用于将缝合线末端固定在树脂板上的胶带 |
| 塑料食品容器 | N/A | N/A | 密封的食品容器，用于制备琼脂模体 |
| 笔记本电脑 | 联想 | Z50-70 | 联想 Z50-70，Intel(R) Core i7-4510U @ 2.0 GHz，8 GB 内存 |
| 工作站 | 戴尔公司 | T5810 | Intel(R) Xeon(R) CPU E3-1240v3 @ 3.40 GHz，16 GB 内存 |
| Matlab | The MathWorks | R2013a | 软件工具，用于空间变换计算及从图像平面进行三维重建 |
| Paraview | Kitware 公司 | v. 4.4.1 | 用于三维图像处理与可视化的开源软件 |
| NDI Toolbox - ToolTracker 工具 | NDI Medical | v. 4.007.007 | 用于在 NDI Polaris Vicra 测量空间内可视化和追踪标记位置的软件 |
| C++ 数据记录软件 | NDI Medical | v. 4.007.007 | 用于将标记位置记录到文本日志文件的软件 |
| ULA-OP 软件 | 佛罗伦萨大学 | N/A | 用于实时显示和控制 ULA-OP 系统的软件 |
参考文献
- Matrone, G., Savoia, A. S., Terenzi, M., Caliano, G., Quaglia, F., Magenes, G. A Volumetric CMUT-Based Ultrasound Imaging System Simulator With Integrated Reception and µ-Beamforming Electronics Models. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 61 (5), 792-804 (2014).
- Pappalardo, M., Caliano, G., Savoia, A. S., Caronti, A.
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