Ein experimentelles Protokoll zur Bewertung der Leistung des neuen Ultraschallsonden basierend auf CMUT Technologie in Anwendung auf die Bildgebung des Gehirns

Eine neue Familie von Ultraschallsonden auf Basis von MEMS-Schallköpfen entsteht derzeit. CMUT-Komponenten sind auf Silizium aufgebaut und haben ein erhebliches Potenzial in Bezug auf Breitbandbetrieb, guten thermischen Wirkungsgrad und niedrige Herstellungskosten. Dieses Video beschreibt ein robustes und wiederholbares Experiment für ein Protokoll für den Zugriff auf die Fähigkeiten von CMUT-Ultraschallsonden in der Anwendung auf die Bildgebung des Gehirns in den frühen Prototyping-Phasen des Designs und der Entwicklung.

Kapazitive mikromaschinelle Ultraschallwandler oder kurz CMUT sind mikrofabrizierte Arrays aus winzigen, elektrostatischen Aktuatoren, die jeweils als Zwei-Ultraschall-Schallkopf fungieren. Genauer gesagt erzeugt in jeder CMUT-Zelle eine elektrische Anregung eine dynamische Kraft, die dann die mechanische Schwingung der sich bewegenden Platte nutzt. Die so erzeugten Schallwellen breiten sich durch das Medium aus.

Der Effekt wird während des Empfangs umgekehrt. Akustische Wellen, die durch Gewebestreuung erzeugt werden, verursachen Vibrationen der beweglichen Platte, die die Kapazität der CMUT-Zelle verändern. Dadurch entsteht ein elektrisches Signal, das weiter verstärkt und an das Ultraschallsystem übertragen wird.

Dies ist die lineare CMUT-Sonde, die für die in diesem Video gezeigten Experimente verwendet wird. Der Sondenkopf auf der linken Seite enthält das CMUT-Array, das von einer akustischen Linse bedeckt ist. Das Bild rechts zeigt den verpackten Sondenkopf zusammen mit dem Mehrkanalkabel, das ihn mit dem Ultraschallsystem verbindet.

Dies ist die Übersicht über das Protokoll, die angezeigt wird. Im Vorentwurfsschritt wird die Positionierungsstrategie für Landmark-Glaskugeln definiert und ein Agar Phantom für die Kalibrierung vorbereitet. Im Probenvorbereitungsset wird das Rinderhirn präpariert, indem die Glaskugeln in vordefinierte Positionen eingeführt und in Formalin fixiert werden.

Dann wird das vorbereitete Rindergehirn in den MRT-Scan geleitet, um 3D-Bilder aufzunehmen. Anschließend werden mit Hilfe von Experten qualitative Posen auf 3D-MRT-Bildern definiert. Zum Einrichten der Versuchsumgebung müssen die passiven Tracking-Marker an die Ultraschallsonde angepflanzt und der ULOB-Scanner mit dem Motion-Tracking-System verbunden werden.

Dann werden zwei Kalibrierungssets benötigt, eines für eingespannte Marker auf der Ultraschallsonde und ein weiteres für die Umwandlung von Motion-Tracker-Positionen in Positionen im 3D-Ziel-MRT-Bild. Die Ultraschallbildaufnahmen werden mit unserem Echtzeit-Visualisierungstool durchgeführt, um vordefinierte, qualitative Posen abzugleichen. Im letzten Schritt der Nachbearbeitung werden die Ultraschallbilder auf dem 3D-Ziel-MRT-Bild registriert.

Auch freihändig bewegte Bilder werden in 3D-Volumen rekonstruiert. Eine vorbereitende Operation für die Kalibrierungsaktivität, die später gezeigt werden soll, besteht darin, ein Phantom aus Argala-Gelee zu verwenden, in das Muster von Glaskugeln eingebettet sind. Um einen maximalen Realismus und eine maximale Zuverlässigkeit des Bewertungsprotokolls zu gewährleisten, wurden Rindergehirne aus der Standard-Lebensmittelversorgungskette als Bildgebungsziele ausgewählt.

Die Präparation der Proben erfolgte durch Einsetzen von Glaskugeln an vordefinierten Positionen. Die Proben wurden dann in eine formalide Lösung getaucht und auf diese Weise mindestens drei Wochen lang bis zur vollständigen Fixierung aufbewahrt. Anschließend wurden multiple Magnetresonanzscans des Rinderhirns mit unterschiedlichen Wartesequenzen angefertigt.

Wie zu sehen ist, sind Glaskugeln auf MRT-Bildern gut zu erkennen. Die Wiederholbarkeit der Aufnahme von Ultraschallbildern wird durch die Definition von 12 virtuellen Posen verstärkt. Jede dieser vordefinierten Posen weist auf eine Region im Rinderhirn hin, die reich an morphologischen Merkmalen und Gewebeheterogenität ist.

Eine spezielle Softwareroutine gibt in Echtzeit visuelles Feedback über die aktuelle Position und Ausrichtung der Ultraschallsonde anhand von Daten aus dem Bewegungsverfolgungssystem. Dabei handelt es sich um das komplette und integrierte Ultraschallsystem. Am mechanischen Arm befindet sich die CMUT-Sonde, die mit dem ULA-OP-System verbunden ist, das einen über USB angeschlossenen Computer zur Steuerung, Programmierung und Visualisierung verwendet.

Und die Ultraschallsonde, die in diesem Protokoll verwendet wird, muss an eine Anordnung von reflektierenden Markern geklemmt werden, damit ihre Position und Ausrichtung vom Bewegungsverfolgungssystem aufgezeichnet werden kann. Das Phantom wird in einen Wassertank im Sichtfeld eines Infrarot-Positionssensors eingetaucht, der die Position und die Ausrichtung eines bewerteten Musters von reflektierenden Markern aufzeichnet und über USB an einen Hauscomputer überträgt. Die Position jeder Glaskugel wird mit einem Zeigerwerkzeug aufgezeichnet.

Die Aufzeichnung wird vom Bediener gesteuert. Ziel der Kalibrierung ist es, die geometrische Transformation vom intrinsischen Bildrahmen der Sonde zum Referenzrahmen reflektierender Marker unter Verwendung der Positionen der Glaskugeln, wie sie aus den Ultraschallbildern extrahiert werden, zu finden. Sobald die Kugeln in den Ultraschallbildern sichtbar sind, wird der mechanische Arm blockiert und das Bild aufgenommen.

Die Kalibrierungs-Ultraschallbilder werden dann in ein Visualisierungstool importiert, in dem die Positionen der Kugeln manuell markiert und in einer Datei gespeichert werden. Die geometrische Transformation wird dann automatisch berechnet, indem alle diese Positionen mit den entsprechenden Positionen verglichen werden, die vom Motion-Tracking-System aufgezeichnet wurden. Für die Position der Ultraschallbilder, die das Ziel des Protokolls ist, wird das Rindergehirn nach dem vollständigen Waschen zunächst auf einer Kunststoffplatte ruhiggestellt und dann in einen Wassertank innerhalb des Sichtfeldes des Motion-Tracking-Systems getaucht.

Die Positionen aller Glaskugeln, die in das Rinderhirn eingebettet sind, werden manuell mit dem Motion-Tracking-System und dem Zeigerwerkzeug aufgezeichnet. Alle auf diese Weise erhaltenen Positionen werden in einer Protokolldatei gespeichert. Das Ziel der zweiten Kalibrierungsaktivität ist es, die geometrische Transformation vom physischen Raum des Bewegungsverfolgungssystems zur Fläche jedes MRT-Bildes zu finden.

Dieses Bild zeigt alle aufgezeichneten Zeigerpositionen innerhalb der 3D-Phase eines MRT-Bildes. Hier sehen wir, wie die visuelle Feedback-Routine nach der Kalibrierung initialisiert wird. Die 12 vordefinierten virtuellen Posen sind für den Bediener in der 3D-Ansicht sichtbar.

Hier entspricht der rote Kegel der Ultraschallsonde, die vom Bediener in die Hand gehalten wird. Die Sondenposition wird vom Motion-Tracking-System aufgezeichnet und in Echtzeit transformiert, um visuelles Feedback zu geben. Hier zeichnet das ULOB-System Bilder mit zwei Frequenzen gleichzeitig auf.

Sobald eine Kante als zufriedenstellend eingestuft wird, wird das Ultraschallbild eingefroren und auf der Festplatte gespeichert. Eine andere Erfassungsmodalität besteht darin, dass die Ultraschallsonde freihändig durchgestrichen wird, während das ULOB-System so programmiert ist, dass es schnelle, wiederholte Erfassungen nacheinander durchführt. Auf diese Weise können bei jedem Sweep ganze Teilvolumina des Rinderhirns abgedeckt werden.

Das Ergebnis ist eine Sequenz von Schichten, von denen jede ein bmod-Ultraschallbild ist, das als Ganzes auf der Festplatte gespeichert wird. Jede Sequenz ist für die Nachbearbeitung vorgesehen. Wenn jede Scheibe mit der momentanen Position und Ausrichtung verknüpft ist, die vom Motion-Tracking-System bereitgestellt wird, und kombiniert wird, um ein dreidimensionales Bild des entsprechenden Subvolumens zu bilden.

Insgesamt besteht das Ziel der Bildnachbearbeitung in diesem Protokoll darin, eine vergleichende visuelle Analyse von Ultraschallbildern mit MRT-Bildern nach spezieller Registrierung zu ermöglichen. Hier sehen wir den Datensatz von 12 Bildern, die vordefinierten Posen entsprechen, die nach räumlicher Registrierung in einer 3D-Rekonstruktion kombiniert wurden. Mit Hilfe einer Visualisierungssoftware kann jedes Ultraschallbild, das einer vordefinierten Pose entspricht, in Überlagerung mit dem entsprechenden Ausschnitt des dreidimensionalen MRT-Bildes gesehen und die Reinheit der Bildinhalte bewertet werden.

In dieser abschließenden Animation sehen wir die Ergebnisse der dreidimensionalen Rekonstruktion der gesamten Sequenzen der geschnittenen Bilder, die mit einem einzigen Sweep im Freihandmodus aufgenommen wurden. Abgesehen von einigen Rekonstruktionsartefakten gibt die Qualität dieser Bilder eine klare Vorstellung davon, welches Leistungsniveau mit der Technologie und der Anwendung in der Bildgebung des Gehirns erreicht werden kann. Das Hauptergebnis der beschriebenen Experimente ist der Nachweis der Wirksamkeit des Protokolls zur Bewertung der Bildgebungsleistung der CMUT-Sonde und des integrierten Systems von Hardware- und Software-Tools für jede Ausführung.

Darüber hinaus wurden vollständige Datensätze von registrierten Ultraschall- und MRT-Bildern erhalten, die zur Unterstützung des weiteren Status in der automatisierten Bildanalyse verwendet werden können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das in diesem Video vorgestellte Versuchsprotokoll eine effektive und wiederholbare Methode zur Beurteilung der Bildgebungsfähigkeiten innovativer CMUT-Ultraschallsonden ist. Bei der Realisierung erwies sich die Integration offener Hard- und Software-Tools als grundlegend.

Die vergleichende Ultraschall- und MRT-Analyse, die die Methode ermöglicht, kann durch die Integration ausgefeilterer Softwaretechniken weiter verbessert werden.