Name: 基于 CMUT 技术的新型超声探头在脑成像中的应用研究 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 1 s
Description: 了解基于CMUT技术的新型超声探头在脑成像中的应用方法。本研究建立了可重复的实验方案，利用离体牛脑作为成像目标，并与磁共振图像进行对比验证，为早期原型设计阶段的成像能力评估提供了有效工具。

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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。

<ol><li>Matrone, G., Savoia, A. S., Terenzi, M., Caliano, G., Quaglia, F., Magenes, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Volumetric+CMUT-Based+Ultrasound+Imaging+System+Simulator+With+Integrated+Reception+and+%C2%B5-Beamforming+Electronics+Models%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Ultrason.+Ferroelectr.+Freq.+Control%22%5BJournal%5D)">A Volumetric CMUT-Based Ultrasound Imaging System Simulator With Integrated Reception and µ-Beamforming Electronics Models.</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 61 (5), 792-804 (2014).</li>
<li>Pappalardo, M., Caliano, G., Savoia, A. S., Caronti, A. <a target="_blank" href="http://www.springer.com/us/book/9780387765389">Micromachined ultrasonic transducers. Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications</a>. , Springer. 453-478 (2008).</li>
<li>Oralkan, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Capacitive+micromachined+ultrasonic+transducers%3A+Next-generation+arrays+for+acoustic+imaging%3F%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Ultrason.+Ferroelectr.+Freq.+Control%22%5BJournal%5D)">Capacitive micromachined ultrasonic transducers: Next-generation arrays for acoustic imaging?</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 49 (11), 1596-1610 (2002).</li>
<li>Savoia, A., Caliano, G., Pappalardo, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+CMUT+probe+for+medical+ultrasonography%3A+From+microfabrication+to+system+integration%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Ultrason.+Ferroelectr.+Freq.+Control%22%5BJournal%5D)">A CMUT probe for medical ultrasonography: From microfabrication to system integration.</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (6), 1127-1138 (2012).</li>
<li>ENIAC JU project DeNeCoR website. , 
 <a target="_blank" href="http://www.denecor.info">http://www.denecor.info</a> (2017).</li>
<li>Ramalli, A., Boni, E., Savoia, A. S., Tortoli, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Density-tapered+spiral+arrays+for+ultrasound+3-D+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Ultrason.+Ferroelectr.+Freq.+Control%22%5BJournal%5D)">Density-tapered spiral arrays for ultrasound 3-D imaging.</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 62 (8), 1580-1588 (2015).</li>
<li>Lazebnik, R. S., Lancaster, T. L., Breen, M. S., Lewin, J. S., Wilson, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Volume+registration+using+needle+paths+and+point+landmarks+for+evaluation+of+interventional+MRI+treatments%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Med.+Imag%22%5BJournal%5D)">Volume registration using needle paths and point landmarks for evaluation of interventional MRI treatments.</a> IEEE Trans. Med. Imag. 22 (5), 653-660 (2003).</li>
<li>Dawe, R. J., Bennett, D. A., Schneider, J. A., Vasireddi, S. K., Arfanakis, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Postmortem+MRI+of+human+brain+hemispheres%3A+T2+relaxation+times+during+formaldehyde+fixation%5BTitle%5D)+AND+%22Magn.+Reson.+Med%22%5BJournal%5D)">Postmortem MRI of human brain hemispheres: T2 relaxation times during formaldehyde fixation.</a> Magn. Reson. Med. 61 (4), 810-818 (2009).</li>
<li>Chen, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+anthropomorphic+polyvinyl+alcohol+brain+phantom+based+on+Colin27+for+use+in+multimodal+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Mag.+Res.+Phys%22%5BJournal%5D)">An anthropomorphic polyvinyl alcohol brain phantom based on Colin27 for use in multimodal imaging.</a> Mag. Res. Phys. 39 (1), 554-561 (2012).</li>
<li>Farrer, A. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+and+evaluation+of+tissue-mimicking+gelatin+phantoms+for+use+with+MRgFUS%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Ther.+Ultrasound%22%5BJournal%5D)">Characterization and evaluation of tissue-mimicking gelatin phantoms for use with MRgFUS.</a> J. Ther. Ultrasound. 3 (9), (2015).</li>
<li>Choe, A. S., Gao, Y., Li, X., Compton, K. B., Stepniewska, I., Anderson, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accuracy+of+image+registration+between+MRI+and+light+microscopy+in+the+ex+vivo+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Magn.+Reson.+Imaging%22%5BJournal%5D)">Accuracy of image registration between MRI and light microscopy in the ex vivo brain.</a> Magn. Reson. Imaging. 29 (5), 683-692 (2011).</li>
<li>PVA brain phantom images website. , 
 <a target="_blank" href="http://pvabrain.inria.fr">http://pvabrain.inria.fr</a> (2017).</li>
<li>Gobbi, D. G., Comeau, R. M., Peters, T. M. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/221402079_Ultrasound_Probe_Tracking_for_Real-Time_UltrasoundMRI_Overlay_and_Visualization_of_Brain_Shift">Ultrasound probe tracking for real-time ultrasound/MRI overlay and visualization of brain shift.</a> Int. Conf. Med. Image Comput. Comput. Assist. Interv (MICCAI) n. 920, 927(1999).</li>
<li>Ternifi, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasound+measurements+of+brain+tissue+pulsatility+correlate+with+the+volume+of+MRI+white-matter+hyperintensity%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Cereb.+Blood+Flow.+Metab%22%5BJournal%5D)">Ultrasound measurements of brain tissue pulsatility correlate with the volume of MRI white-matter hyperintensity.</a> J. Cereb. Blood Flow. Metab. 34 (6), 942-944 (2014).</li>
<li>Unsgaard, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuronavigation+by+Intraoperative+Three-dimensional+Ultrasound%3A+Initial+Experience+during+Brain+Tumor+Resection%5BTitle%5D)+AND+%22Neurosurgery%22%5BJournal%5D)">Neuronavigation by Intraoperative Three-dimensional Ultrasound: Initial Experience during Brain Tumor Resection.</a> Neurosurgery. 50 (4), 804-812 (2002).</li>
<li>Pfefferbaum, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Postmortem+MR+imaging+of+formalin-fixed+human+brain%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Postmortem MR imaging of formalin-fixed human brain.</a> NeuroImage. 21 (4), 1585-1595 (2004).</li>
<li>Schulz, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+strain+fields+in+human+brain+resulting+from+formalin+fixation%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Neurosci.+Meth%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional strain fields in human brain resulting from formalin fixation.</a> J. Neurosci. Meth. 202 (1), 17-27 (2011).</li>
<li>Ahrens, J., Geveci, B., Law, C. ParaView: An End-User Tool for Large Data Visualization. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAhrens%2C+J+%22Visualization+Handbook%22">Visualization Handbook</a>. , Elsevier. (2005).</li>
<li>Cloutier, G. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15259645">A multimodality vascular imaging phantom with fiducial markers visible in DSA, CTA, MRA, and ultrasound.</a> Med. Phys. 31 (6), 1424-1433 (2004).</li>
<li>Boni, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+reconfigurable+and+programmable+FPGA-based+system+for+nonstandard+ultrasound+methods%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Ultrason.+Ferroelectr.+Freq.+Control%22%5BJournal%5D)">A reconfigurable and programmable FPGA-based system for nonstandard ultrasound methods.</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (7), 1378-1385 (2012).</li>
<li>Bagolini, A. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0960-1317/25/1/015012/meta">PECVD low stress silicon nitride analysis and optimization for the fabrication of CMUT devices.</a> J. Micromech. Microeng. 25 (1), (2015).</li>
<li>Savoia, A. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/5935836/">Design and fabrication of a cMUT probe for ultrasound imaging of fingerprints.</a> Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 1877-1880 (2010).</li>
<li>Fenster, A., Downey, D. B. <a target="_blank" href="http://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.bioeng.2.1.457">Three-dimensional ultrasound imaging.</a> Annu. Rev. Biomed. Eng. 2, 457-475 (2000).</li>
<li>Matrone, G., Ramalli, A., Savoia, A. S., Tortoli, P., Magenes, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+Frame-Rate%2C+High+Resolution+Ultrasound+Imaging+with+Multi-Line+Transmission+and+Filtered-Delay+Multiply+And+Sum+Beamforming%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Med.+Imag%22%5BJournal%5D)">High Frame-Rate, High Resolution Ultrasound Imaging with Multi-Line Transmission and Filtered-Delay Multiply And Sum Beamforming.</a> IEEE Trans. Med. Imag. 36 (2), 478-486 (2017).</li>
<li>Matrone, G., Savoia, A. S., Caliano, G., Magenes, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Depth-of-field+enhancement+in+Filtered-Delay+Multiply+and+Sum+beamformed+images+using+Synthetic+Aperture+Focusing%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics%22%5BJournal%5D)">Depth-of-field enhancement in Filtered-Delay Multiply and Sum beamformed images using Synthetic Aperture Focusing.</a> Ultrasonics. 75, 216-225 (2017).</li>
<li>Boni, E., Cellai, A., Ramalli, A., Tortoli, P. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6562417/">A high performance board for acquisition of 64-channel ultrasound RF data.</a> Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 2067-2070 (2012).</li>
<li>Matrone, G., Savoia, A. S., Caliano, G., Magenes, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Delay+Multiply+and+Sum+beamforming+algorithm+in+medical+ultrasound+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Med.+Imag%22%5BJournal%5D)">The Delay Multiply and Sum beamforming algorithm in medical ultrasound imaging.</a> IEEE Trans. Med. Imag. 34, 940-949 (2015).</li>
<li>Savoia, A. S. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6932241/">Improved lateral resolution and contrast in ultrasound imaging using a sidelobe masking technique.</a> Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 1682-1685 (2014).</li>
<li>Gyöngy, G., Makra, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+validation+of+a+convolution-+based+ultrasound+image+formation+model+using+a+planar+arrangement+of+micrometer-scale+scatterers%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Ultrason.+Ferroelectr.+Freq.+Control%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of a convolution- based ultrasound image formation model using a planar arrangement of micrometer-scale scatterers.</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 62 (6), 1211-1219 (2015).</li>
<li>Shapoori, K., Sadler, J., Wydra, A., Malyarenko, E. V., Sinclair, A. N., Maev, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+Ultrasonic-Adaptive+Beamforming+Method+and+Its+Application+for+Trans-skull+Imaging+of+Certain+Types+of+Head+Injuries%3B+Part+I%3A+Transmission+Mode%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">An Ultrasonic-Adaptive Beamforming Method and Its Application for Trans-skull Imaging of Certain Types of Head Injuries; Part I: Transmission Mode.</a> IEEE Trans. Biomed. Eng. 62 (5), 1253-1264 (2015).</li>
<li>Salles, S., Liebgott, H., Basset, O., Cachard, C., Vray, D., Lavarello, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+evaluation+of+spectral-based+quantitative+ultrasound+imaging+using+plane+wave+compounding%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Ultrason.+Ferroelectr.+Freq.+Control%22%5BJournal%5D)">Experimental evaluation of spectral-based quantitative ultrasound imaging using plane wave compounding.</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 61 (11), 1824-1834 (2014).</li>
<li>Alessandrini, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+New+Technique+for+the+Estimation+of+Cardiac+Motion+in+Echocardiography+Based+on+Transverse+Oscillations%3A+A+Preliminary+Evaluation+In+Silico+and+a+Feasibility+Demonstration+In+Vivo%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Med.+Imag%22%5BJournal%5D)">A New Technique for the Estimation of Cardiac Motion in Echocardiography Based on Transverse Oscillations: A Preliminary Evaluation In Silico and a Feasibility Demonstration In Vivo.</a> IEEE Trans. Med. Imag. 33 (5), 1148-1162 (2014).</li>
<li>Ramalli, A., Basset, O., Cachard, C., Boni, E., Tortoli, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency-domain-based+strain+estimation+and+high-frame-rate+imaging+for+quasi-static+elastography%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Ultrason.+Ferroelectr.+Freq.+Control%22%5BJournal%5D)">Frequency-domain-based strain estimation and high-frame-rate imaging for quasi-static elastography.</a> IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (4), 817-824 (2012).</li>
<li>NDI Polaris Vicra optical tracking system website. , 
 <a target="_blank" href="http://www.ndigital.com/medical/polaris-family">http://www.ndigital.com/medical/polaris-family</a> (2017).</li>
<li>Markley, F. L., Cheng, Y., Crassidis, J. L., Oshman, Y. <a target="_blank" href="https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.28949">Averaging quaternions.</a> J. Guid. Cont. Dyn. 30 (4), 1193-1197 (2007).</li>
<li>Dorst, L., Fontijne, D., Mann, S. <a target="_blank" href="https://www.elsevier.com/books/geometric-algebra-for-computer-science-revised-edition/dorst/978-0-12-374942-0">Geometric Algebra for Computer Science. An Object-oriented Approach to Geometry</a>. , A Volume in the Morgan Kaufmann Series in Computer Graphics (2007).</li>
<li>Horn, B. K. P. <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/josaa/abstract.cfm?uri=josaa-4-4-629">Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions.</a> J. Opt. Soc. Am. A. 4 (4), 629-642 (1987).</li>
</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

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...

<table><tbody><tr><td>ULA-OP</td><td>佛罗伦萨大学</td><td>N/A</td><td>超声成像研究系统</td></tr><tr><td>三维成像压电探头</td><td>Esaote s.p.a.</td><td>9600195000</td><td>机械扫描式三维超声探头，型号 BL-433</td></tr><tr><td>线阵压电探头</td><td>Esaote s.p.a.</td><td>122001100</td><td>超声线阵探头，型号 LA-533</td></tr><tr><td>CMUT 探头</td><td>罗马第三大学</td><td>N/A</td><td>基于 CMUT 技术的超声线阵探头</td></tr><tr><td>MAGNETOM Skyra 3T 磁共振扫描仪</td><td>西门子医疗</td><td>N/A</td><td>磁共振扫描仪</td></tr><tr><td>头部线圈</td><td>西门子医疗</td><td>N/A</td><td>用于磁共振成像的 32 通道头部线圈</td></tr><tr><td>NDI Polaris Vicra</td><td>NDI Medical</td><td>8700335001</td><td>光学运动追踪系统</td></tr><tr><td>指针工具</td><td>NDI Medical</td><td>8700340</td><td>带有 4 个反射标记的被动式指针工具</td></tr><tr><td>带夹具的工具</td><td>NDI Medical</td><td>8700399</td><td>带有 4 个反射标记和夹具的刚体，用于连接超声探头手柄</td></tr><tr><td>牛脑</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>来自食品供应商的成年牛脑</td></tr><tr><td>福尔马林溶液</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>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）</td></tr><tr><td>解剖组织用塑料容器</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>带盖的圆柱形塑料容器</td></tr><tr><td>玻璃珠</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>直径 3 mm 的燧石玻璃球</td></tr><tr><td>琼脂</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>30 g，用于模体制备</td></tr><tr><td>甘油</td><td>AEFFE Farmaceutici</td><td>A908005248</td><td>100 g，用于模体制备</td></tr><tr><td>蒸馏水</td><td>Solbat Gaysol</td><td>8027391000015</td><td>870 g，用于模体制备</td></tr><tr><td>烧杯</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>用于将甘油和琼脂溶于蒸馏水的烧杯</td></tr><tr><td>Lysoform</td><td>Lever</td><td>8000680500014</td><td>使用苯扎氯铵水溶液保存琼脂模体</td></tr><tr><td>聚苯乙烯人体头模</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>被切割并用于设计玻璃珠排列构型的聚苯乙烯模型</td></tr><tr><td>组织学用绿色组织标记染料</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>用于在牛脑表面标记玻璃珠位置的颜色染料</td></tr><tr><td>黄色搪瓷漆</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>用于为植入琼脂模体中的玻璃珠着色的搪瓷漆</td></tr><tr><td>水箱</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>50×50×30 cm 的塑料水箱，注入脱气水至 15 cm 高度&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>机械臂</td><td>Esaote s.p.a.</td><td>N/A</td><td>固定在水箱边缘的机械臂，用于将探头保持在固定位置</td></tr><tr><td>合成树脂板</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>用于在水箱中支撑牛脑定位的平板</td></tr><tr><td>缝合线段</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>用于将脑组织固定在树脂板上的缝合线段</td></tr><tr><td>胶带</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>用于将缝合线末端固定在树脂板上的胶带</td></tr><tr><td>塑料食品容器</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>密封的食品容器，用于制备琼脂模体</td></tr><tr><td>笔记本电脑</td><td>联想</td><td>Z50-70</td><td>联想&amp;nbsp; Z50-70，Intel(R) Core i7-4510U @ 2.0 GHz，8 GB 内存</td></tr><tr><td>工作站</td><td>戴尔公司</td><td>T5810</td><td>Intel(R) Xeon(R) CPU E3-1240v3 @ 3.40 GHz，16 GB 内存</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>The MathWorks</td><td>R2013a</td><td>软件工具，用于空间变换计算及从图像平面进行三维重建</td></tr><tr><td>Paraview</td><td>Kitware 公司</td><td>v. 4.4.1</td><td>用于三维图像处理与可视化的开源软件</td></tr><tr><td>NDI Toolbox - ToolTracker 工具</td><td>NDI Medical</td><td>v. 4.007.007</td><td>用于在 NDI Polaris Vicra 测量空间内可视化和追踪标记位置的软件</td></tr><tr><td>C++ 数据记录软件</td><td>NDI Medical</td><td>v. 4.007.007</td><td>用于将标记位置记录到文本日志文件的软件</td></tr><tr><td>ULA-OP 软件&amp;nbsp;</td><td>佛罗伦萨大学</td><td>N/A</td><td>用于实时显示和控制 ULA-OP 系统的软件</td></tr></tbody></table>

一种用于评估基于cmut技术新型超声探头在脑部成像应用中性能的实验方案

An Experimental Protocol for Assessing the Performance of New Ultrasound Probes Based on CMUT Technology in Application to Brain Imaging

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&#160;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。

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&#160;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<strong class="xfi...

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。

一种用于评估基于CMUT技术新型超声探头在脑部成像应用中性能的实验方案

在新型成像系统的设计与开发过程中，能够对成像性能进行早期且可重复的评估至关重要。

一种基于MEMS换能器的新型超声探头正在兴起。CMUT器件在硅基底上构建，在宽带操作、良好的热效率和低成本制造方面具有显著潜力。本视频介绍了一种可靠且可重复的实验方案，用于在设计与开发的早期原型阶段，评估CMUT超声探头在脑部成像应用中的性能。电容式微加工超声换能器（CMUT）是微加工制造的微小静电驱动器阵列，每个驱动器作为一个双模超声换能器工作。更具体而言，在每个CMUT单元中，电激励产生动态力，进而引起可动膜的机械振动。由此产生的声波在介质中传播。接收过程中该效应发生逆转。组织散射产生的声波引起活动板的振动，从而改变CMUT单元的电容。这会产生电信号，经进一步放大后传输至超声系统。这是本视频所示实验所用的线性CMUT探头。左侧的探头头部包含由声学透镜覆盖的CMUT阵列。右侧图像显示了封装后的探头头部，以及将其连接至超声系统的多通道电缆。这是将要展示的实验方案概述。在初步设计步骤中，确定用于定位标记玻璃球的策略，并制备琼脂仿体用于校准。在样本准备步骤中，将玻璃球插入牛脑的预设位置，并用福尔马林固定，完成样本制备。然后将制备好的牛脑送入MR扫描仪以获取三维图像。在专家协助下，对三维MR图像定义定性位姿。设置实验环境需要将被动追踪标记物安装到超声探头上，并连接ULOB扫描仪与运动追踪系统。随后需要两组校准数据，一组用于超声探头上的固定标记，另一组用于将运动追踪器的位置转换为目标三维磁共振图像中的位置。超声图像采集将通过我们的实时可视化工具完成，以匹配预定义的定性姿态。在后处理的最后一步，超声图像将被配准到目标三维磁共振图像上。自由手动生成的图像也可重建为三维体数据。后续将展示的校准操作需要一个初步步骤，即使用由嵌有玻璃小球图案的卡拉胶凝胶制成的模体。为了最大程度地保证评估方案的真实性和可靠性，选择从标准食品供应链获得的牛脑作为成像目标。通过将玻璃球置于预设位置来制备样本。随后将样本浸入甲醛溶液中，并保持至少三周以完成固定。之后，使用不同的等待序列对牛脑进行多次磁共振扫描。如图所示，玻璃球在磁共振图像中清晰可见。通过定义12个虚拟位姿，可提高超声图像采集的重复性。每个预定义的位姿均指向牛脑中一个形态特征丰富且组织异质性明显的区域。特定的软件程序利用运动跟踪系统的数据，实时提供关于超声探头当前位置和方向的可视化反馈。这是一个完整且集成的超声系统。机械臂上的CMUT探头连接至ULA-OP系统，该系统通过USB连接的计算机实现控制、编程和图像可视化。本方案中使用的超声探头必须用夹具固定在一组反射标记物上，以便运动追踪系统记录其位置和方向。将模体浸没于水箱中，水箱位于红外位置传感器的视野范围内，该传感器可记录反射标记物阵列的位置和方向，并通过USB将数据传输至主机计算机。每个玻璃球的位置均使用指针工具进行记录。图像采集由操作者控制。校准的目的是利用从超声图像中提取的玻璃球位置，确定探头内在图像坐标系到反射标记参考坐标系之间的几何变换关系。当玻璃球在超声图像中清晰可见后，机械臂被固定，随后获取图像。随后将校准超声图像导入可视化工具，在该工具中手动标记球体的位置并保存至文件。然后通过将所有这些位置与运动追踪系统记录的相应位置进行比较，自动计算几何变换。对于本方案的目标——超声图像位置的确定，在彻底清洗后，首先将牛脑固定在塑料板上，然后将其浸入水箱中，并置于运动追踪系统的视野范围内。使用运动追踪系统和指针工具手动记录嵌入牛脑中所有玻璃球的位置。通过此方法获得的所有位置信息均存储在日志文件中。第二次校准操作的目标是确定从运动追踪系统的物理空间到每幅磁共振图像切面之间的几何变换关系。该图像显示了一个MR图像三维阶段内记录的所有指针位置。此处我们看到校准后视觉反馈程序正在初始化。在三维视图中，操作员可以看到12个预定义的虚拟位姿。此处红色锥体对应于操作者手持的超声探头。探头位置由运动追踪系统记录，并实时转换以提供视觉反馈。此处 ULOB 系统正在同时以两个频率采集图像。当边缘被认为满意时，超声图像将被冻结并保存到磁盘中。另一种采集模式是在 ULOB 系统被设定为连续快速重复采集的同时，手动移动超声探头进行自由扫描。通过这种方式，每次扫描可覆盖牛脑的整个子体积区域。结果是一系列切片，每个切片均为一幅bmod超声图像，作为整体保存至磁盘。每一系列切片用于后续处理。当每个切片与运动追踪系统提供的瞬时位置和方向相关联后，可组合形成相应子体积的三维图像。总体而言，本方案中图像后处理的目标是在进行特殊配准后，实现超声图像与磁共振（MR）图像的对比可视化分析。此处显示的是经过空间配准后，对应于预定义姿态的12幅图像数据集，已组合成三维重建图像。通过使用可视化软件工具，可将每幅对应于预定义姿态的超声图像与三维MR图像的相应切片进行叠加显示，从而评估图像内容的纯净度。在最后这段动画中，我们可以看到以自由扫描模式单次扫查获取的切片图像序列进行三维重建后的结果。除了少数重建伪影外，这些图像的质量清晰地展示了该技术在脑部成像应用中所能达到的性能水平。通过上述实验取得的主要成果，是验证了该方案在评估 CMUT 探头成像性能以及每次运行中软硬件工具集成系统有效性方面的可行性。此外，已获取注册的超声和磁共振图像的完整数据集，这些数据可用于支持自动化图像分析的进一步研究。总之，本视频中介绍的实验方案是一种评估新型 CMUT 超声探头成像能力的有效且可重复的方法。在实施过程中，开源硬件与软件工具的整合被证明至关重要。该方法所实现的超声与磁共振视觉分析的比较，可通过整合更先进的软件技术进一步增强。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

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