Un protocolo Experimental para evaluar el desempeño de nuevas sondas de ultrasonido basado en la tecnología CMUT en aplicación a la proyección de imagen de cerebro

Actualmente está surgiendo una nueva familia de sondas de ultrasonido basadas en transductores MEMS. Los componentes CMUT están construidos en silicio y tienen un potencial significativo en términos de operación de banda ancha, buena eficiencia térmica y bajo costo de fabricación. Este video describe un experimento robusto y repetible para el protocolo para acceder a las capacidades de las sondas de ultrasonido CMUT en su aplicación a imágenes cerebrales durante las primeras etapas de creación de prototipos de diseño y desarrollo.

Los transductores de ultrasonido capacitivos micromecanizados o CMUT para abreviar son matrices microfabricadas de diminutos actuadores electrostáticos, cada uno de los cuales actúa como un transductor de dos ultrasonidos. Más en detalle, en cada celda CMUT una excitación eléctrica produce una fuerza dinámica que luego utiliza la vibración mecánica de la placa móvil. Las ondas acústicas así generadas se propagan a través del medio.

El efecto se invierte durante la recepción. Las ondas acústicas generadas por la dispersión de tejidos causan vibraciones de la placa móvil que cambian la capacitancia de la celda CMUT. Esto produce una señal eléctrica que se amplifica y transmite al sistema de ultrasonidos.

Esta es la sonda CMUT lineal utilizada para los experimentos que se muestran en este video. El cabezal de la sonda de la izquierda contiene el conjunto CMUT cubierto por una lente acústica. La imagen de la derecha muestra el cabezal de la sonda empaquetado junto con el cable multicanal que lo conecta al sistema de ultrasonidos.

Esta es la descripción general del protocolo que se mostrará. En el paso preliminar de diseño, se define la estrategia de posicionamiento para las esferas de vidrio emblemáticas y se prepara un Agar Phantom para la calibración. En el juego de preparación de muestras, el cerebro bovino se prepara insertando las esferas de vidrio en posiciones predefinidas y fijándolas en formol.

Luego, el cerebro bovino preparado se pasa a la resonancia magnética para adquirir imágenes en 3D. A continuación, se definen las poses cualitativas en imágenes de resonancia magnética en 3D con la ayuda de expertos. La configuración del entorno experimental requiere la colocación de los marcadores de seguimiento pasivo en la sonda de ultrasonido y la conexión del escáner ULOB y el sistema de seguimiento de movimiento.

A continuación, se requieren dos juegos de calibración, uno para los marcadores fijados en la sonda de ultrasonido y otro para convertir las posiciones del seguimiento de movimiento en posiciones en la imagen de resonancia magnética 3D objetivo. Las adquisiciones de imágenes de ultrasonido se realizarán utilizando nuestra herramienta de visualización en tiempo real para hacer coincidir poses cualitativas predefinidas. En el paso final del posprocesamiento, las imágenes de ultrasonido se registran en la imagen de resonancia magnética 3D objetivo.

Las imágenes en movimiento a mano alzada también se reconstruyen en volúmenes 3D. Una operación preliminar para la actividad de calibración que se mostrará más adelante implica el uso de un fantasma hecho con gelatina de argala con patrones de esferas de vidrio incrustados en él. Para obtener el máximo realismo y fiabilidad del protocolo de evaluación, se eligieron cerebros bovinos obtenidos de la cadena de suministro de alimentos estándar como objetivos de imagen.

Los especímenes se prepararon insertando esferas de vidrio en posiciones predefinidas. A continuación, los especímenes se sumergieron en una solución de formalida y se mantuvieron de esta manera durante al menos tres semanas hasta la fijación completa. A continuación, se adquirieron múltiples resonancias magnéticas del cerebro bovino utilizando diferentes secuencias de espera.

Como se puede ver, las esferas de vidrio son muy evidentes en las imágenes de resonancia magnética. La repetibilidad de la adquisición de imágenes de ultrasonido se ve reforzada por la definición de 12 poses virtuales. Cada una de estas posturas predefinidas apunta a una región del cerebro bovino que es rica en características morfológicas y heterogeneidad de tejidos.

Una rutina de software específica proporciona información visual en tiempo real sobre la posición y orientación actuales de la sonda de ultrasonido utilizando datos del sistema de seguimiento de movimiento. Este es el sistema de ultrasonido completo e integrado. En el brazo mecánico, la sonda CMUT está conectada al sistema ULA-OP, que utiliza una computadora conectada por un USB para el control, la programación y la visualización.

Y la sonda de ultrasonido utilizada en este protocolo debe sujetarse a una disposición de marcadores reflectantes para que el sistema de seguimiento de movimiento pueda registrar su posición y orientación. El maniquí se sumerge en un tanque de agua dentro del campo de visión de un sensor de posición infrarrojo que registra la posición y la orientación de un patrón clasificado de marcadores reflectantes y los transmite por USB a una computadora doméstica. La posición de cada esfera de vidrio se registra con una herramienta de puntero.

La grabación es impulsada por el operador. El objetivo de la calibración es encontrar la transformación geométrica del marco de imagen intrínseco de la sonda al marco de referencia de los marcadores reflectantes utilizando las posiciones de las esferas de vidrio extraídas de las imágenes de ultrasonido. Una vez que las esferas se hacen visibles en las imágenes de ultrasonido, se bloquea el brazo mecánico y se adquiere la imagen.

A continuación, las imágenes de ultrasonido de calibración se importan en una herramienta de visualización en la que las posiciones de las esferas se marcan manualmente y se guardan en un archivo. A continuación, la transformación geométrica se calcula automáticamente comparando todas estas posiciones con las posiciones correspondientes registradas por el sistema de seguimiento de movimiento. Para la posición de las imágenes de ultrasonido, que es el objetivo del protocolo, después del lavado completo, el cerebro bovino primero se inmoviliza en una placa de plástico y luego se sumerge en un tanque de agua dentro del campo de visión del sistema de seguimiento de movimiento.

Las posiciones de todas las esferas de vidrio incrustadas en el cerebro bovino se registran manualmente con el sistema de seguimiento de movimiento y la herramienta de puntero. Todas las posiciones obtenidas de esta manera se almacenan en un archivo de registro. El objetivo de la segunda actividad de calibración es encontrar la transformación geométrica desde el espacio físico del sistema de seguimiento de movimiento hasta la cara de cada imagen de resonancia magnética.

Esta imagen muestra todas las posiciones de puntero registradas dentro de la fase 3D de una imagen de resonancia magnética. Aquí vemos que la rutina de retroalimentación visual se inicializa después de la calibración. Las 12 poses virtuales predefinidas son visibles para el operador en la vista 3D.

En este caso, el cono rojo corresponde a la sonda de ultrasonido que el operador sostiene con la mano. El sistema de seguimiento de movimiento registra la posición de la sonda y la transforma en tiempo real para proporcionar información visual. Aquí, el sistema ULOB está grabando imágenes a dos frecuencias simultáneamente.

Una vez que se considera que un borde es satisfactorio, la imagen de ultrasonido se congela y se guarda en el disco. Una modalidad de adquisición diferente es mediante un barrido a mano alzada de la sonda de ultrasonido mientras el sistema ULOB está programado para realizar adquisiciones rápidas y repetidas en secuencia. De esta manera, se pueden cubrir subvolúmenes enteros del cerebro bovino en cada barrido.

El resultado es una secuencia de cortes, cada uno de los cuales es una imagen de ultrasonido bmod que se guarda en el disco en su conjunto. Cada secuencia está pensada para el post-procesamiento. Cuando cada corte se asocia con la posición y orientación instantáneas proporcionadas por el sistema de seguimiento de movimiento y se combina para formar una imagen tridimensional del subvolumen correspondiente.

En general, el objetivo del posprocesamiento de imágenes en este protocolo es permitir un análisis visual comparativo de las imágenes de ultrasonido con las imágenes de RM después de un registro especial. Aquí vemos el conjunto de datos de 12 imágenes correspondientes a poses predefinidas combinadas en una reconstrucción 3D después del registro espacial. Utilizando una herramienta de software de visualización, cada imagen de ultrasonido correspondiente a una pose predefinida se puede ver en superposición al corte correspondiente de la imagen de resonancia magnética tridimensional y se puede evaluar la pureza del contenido de la imagen.

En esta animación final, podemos ver los resultados de la reconstrucción tridimensional de las secuencias completas de las imágenes cortadas adquiridas con un solo barrido en modo a mano alzada. Aparte de algunos artefactos de reconstrucción, la calidad de estas imágenes da una idea clara del nivel de rendimiento que se puede lograr con la tecnología y la aplicación a las imágenes cerebrales. El principal resultado obtenido con los experimentos descritos es demostrar la efectividad del protocolo para la evaluación del rendimiento de las imágenes de la sonda CMUT y sobre el sistema integrado de herramientas de hardware y software para cada ejecución.

Además, se han obtenido conjuntos de datos completos de imágenes de ultrasonido y resonancia magnética registradas y esto se puede utilizar para respaldar un estado más avanzado en el análisis automatizado de imágenes. En conclusión, el protocolo experimental presentado en este vídeo es un método eficaz y repetible para la evaluación de las capacidades de imagen de las innovadoras sondas de ultrasonido CMUT. En su realización, la integración de herramientas abiertas de hardware y software resultó fundamental.

El análisis visual comparativo entre la ecografía y la resonancia magnética que permite el método puede mejorarse aún más mediante la integración de técnicas de software más sofisticadas.