Un protocole expérimental pour évaluer la Performance des nouvelles sondes ultrasons basés sur la technologie CMUT en Application à l’imagerie cérébrale

Une nouvelle famille de sondes à ultrasons basées sur des transducteurs MEMS est actuellement en train d’émerger. Les composants CMUT sont construits sur du silicium et présentent un potentiel important en termes de fonctionnement à large bande, de bonne efficacité thermique et de faible coût de fabrication. Cette vidéo décrit une expérience robuste et reproductible de protocole permettant d’accéder aux capacités des sondes à ultrasons CMUT en application à l’imagerie cérébrale au cours des premières étapes de prototypage de la conception et du développement.

Les transducteurs à ultrasons capacitifs micro-usinés ou CMUT sont des réseaux microfabriqués de minuscules actionneurs électrostatiques, chacun agissant comme un transducteur à deux ultrasons. Plus en détail, dans chaque cellule CMUT, une excitation électrique produit une force dynamique qui utilise ensuite la vibration mécanique de la plaque en mouvement. Les ondes acoustiques ainsi générées se propagent à travers le milieu.

L’effet est inversé lors de la réception. Les ondes acoustiques générées par la diffusion tissulaire provoquent des vibrations de la plaque mobile qui modifient la capacité de la cellule CMUT. Cela produit un signal électrique qui est encore amplifié et transmis à l’échographie.

Il s’agit de la sonde CMUT linéaire utilisée pour les expériences présentées dans cette vidéo. La tête de la sonde à gauche contient le réseau CMUT recouvert d’une lentille acoustique. L’image de droite montre la tête de sonde emballée avec le câble multicanal qui la relie au système d’échographie.

Voici l’aperçu du protocole qui sera présenté. Dans l’étape de conception préliminaire, la stratégie de positionnement des sphères de verre emblématiques est définie et un Agar Phantom est préparé pour l’étalonnage. Dans le kit de préparation d’échantillons, le cerveau bovin est préparé en insérant les sphères de verre dans des positions prédéfinies et en le fixant dans du formol.

Ensuite, le cerveau bovin préparé est passé dans l’IRM pour acquérir des images 3D. Des poses qualitatives sont ensuite définies sur des images MR 3D avec l’aide d’experts. La mise en place de l’environnement expérimental nécessite de planter les marqueurs de suivi passifs sur la sonde à ultrasons et de connecter le scanner ULOB et le système de suivi de mouvement.

Deux kits d’étalonnage sont alors nécessaires, l’un pour les marqueurs serrés sur la sonde à ultrasons et l’autre pour convertir les positions du suivi de mouvement en positions dans l’image IRM 3D cible. Les acquisitions d’images échographiques seront effectuées à l’aide de notre outil de visualisation en temps réel pour correspondre à des poses qualitatives prédéfinies. Dans la dernière étape du post-traitement, les images échographiques sont enregistrées sur l’image IRM 3D cible.

Les images animées à main levée sont également reconstruites en volumes 3D. Une opération préliminaire à l’activité d’étalonnage qui sera montrée ultérieurement consiste à utiliser un fantôme fabriqué avec de la gelée d’argala avec des motifs de sphères de verre incrustés dans celui-ci. Pour un maximum de réalisme et de fiabilité du protocole d’évaluation, des cerveaux de bovins issus de la chaîne d’approvisionnement alimentaire standard ont été choisis comme cibles d’imagerie.

Les échantillons ont été préparés en insérant des sphères de verre à des positions prédéfinies. Les spécimens ont ensuite été immergés dans une solution de formalisme et conservés de cette manière pendant au moins trois semaines jusqu’à ce qu’ils soient complètement fixés. Plusieurs scintigraphies par résonance magnétique du cerveau bovin ont ensuite été acquises à l’aide de différentes séquences d’attente.

Comme on peut le voir, les sphères de verre sont bien visibles dans les images IRM. La répétabilité de l’acquisition des images échographiques est renforcée par la définition de 12 poses virtuelles. Chacune de ces poses prédéfinies pointe vers une région du cerveau bovin riche en caractéristiques morphologiques et en hétérogénéité tissulaire.

Une routine logicielle spécifique fournit un retour visuel en temps réel sur la position actuelle et l’orientation de la sonde à ultrasons à l’aide des données du système de suivi de mouvement. Il s’agit du système d’échographie complet et intégré. Sur le bras mécanique, la sonde CMUT est connectée au système ULA-OP, qui utilise un ordinateur connecté par USB pour le contrôle, la programmation et la visualisation.

Et la sonde à ultrasons utilisée dans ce protocole doit être fixée à un arrangement de marqueurs réfléchissants afin que sa position et son orientation puissent être enregistrées par le système de suivi de mouvement. Le fantôme est immergé dans un réservoir d’eau dans le champ de vision d’un capteur de position infrarouge qui enregistre la position et l’orientation d’un motif nominal de marqueurs réfléchissants et les transmet par USB à un ordinateur de la maison. La position de chaque sphère de verre est enregistrée à l’aide d’un outil pointeur.

L’enregistrement est piloté par l’opérateur. L’objectif de l’étalonnage est de trouver la transformation géométrique du cadre d’image intrinsèque de la sonde au cadre de référence des marqueurs réfléchissants en utilisant les positions des sphères de verre extraites des images ultrasonores. Une fois les sphères rendues visibles dans les images échographiques, le bras mécanique est bloqué et l’image est acquise.

Les images d’échographie d’étalonnage sont ensuite importées dans un outil de visualisation dans lequel les positions des sphères sont marquées manuellement et enregistrées dans un fichier. La transformation géométrique est ensuite calculée automatiquement en comparant toutes ces positions avec les positions correspondantes enregistrées par le système de suivi de mouvement. Pour la position des images échographiques, qui est l’objectif du protocole, après lavage complet, le cerveau bovin est d’abord immobilisé sur une plaque de plastique puis immergé dans un réservoir d’eau dans le champ de vision du système de suivi de mouvement.

Les positions de toutes les sphères de verre intégrées dans le cerveau bovin sont enregistrées manuellement avec le système de suivi de mouvement et l’outil pointeur. Toutes les positions obtenues de cette manière sont stockées dans un fichier journal. L’objectif de la deuxième activité d’étalonnage est de trouver la transformation géométrique de l’espace physique du système de suivi de mouvement à la face de chaque image IRM.

Cette image montre toutes les positions de pointeur enregistrées à l’intérieur de la phase 3D d’une image MR. Ici, nous voyons la routine de retour visuel être initialisée après l’étalonnage. Les 12 poses virtuelles prédéfinies sont visibles par l’opérateur dans la vue 3D.

Ici, le cône rouge correspond à la sonde à ultrasons tenue à la main par l’opérateur. La position de la sonde est enregistrée par le système de suivi de mouvement et transformée en temps réel pour fournir un retour visuel. Ici, le système ULOB enregistre des images à deux fréquences simultanément.

Une fois qu’un bord est jugé satisfaisant, l’image de l’échographie est figée et enregistrée sur le disque. Une modalité d’acquisition différente consiste à balayer à main levée la sonde à ultrasons tandis que le système ULOB est programmé pour effectuer des acquisitions rapides et répétées en séquence. De cette façon, des sous-volumes entiers du cerveau bovin peuvent être couverts à chaque balayage.

Le résultat est une séquence de tranches, chacune étant une image d’échographie bmod qui est enregistrée sur le disque dans son ensemble. Chaque séquence est destinée au post-traitement. Lorsque chaque tranche est associée à la position et à l’orientation instantanées fournies par le système de suivi de mouvement et combinée pour former une image tridimensionnelle du sous-volume correspondant.

Dans l’ensemble, l’objectif du post-traitement des images dans ce protocole est de permettre une analyse visuelle comparative des images échographiques avec les images IRM après un enregistrement spécial. Ici, nous voyons l’ensemble de données de 12 images correspondant à des poses prédéfinies combinées dans une reconstruction 3D après recalage spatial. À l’aide d’un logiciel de visualisation, chaque image échographique correspondant à une pose prédéfinie peut être vue en superposition à la tranche correspondante de l’image IRM tridimensionnelle et la pureté du contenu de l’image peut être évaluée.

Dans cette animation finale, nous pouvons voir les résultats de la reconstruction tridimensionnelle des séquences entières des images découpées acquises d’un seul balayage en mode à main levée. Mis à part quelques artefacts de reconstruction, la qualité de ces images donne une idée claire du niveau de performance qui peut être atteint avec la technologie et l’application à l’imagerie cérébrale. Le principal résultat obtenu avec les expériences décrites est la preuve de l’efficacité du protocole d’évaluation des performances d’imagerie de la sonde CMUT et du système intégré d’outils matériels et logiciels pour chaque exécution.

De plus, des ensembles complets de données d’échographies et d’images IRM enregistrées ont été obtenus, ce qui peut être utilisé pour soutenir l’état ultérieur de l’analyse automatisée des images. En conclusion, le protocole expérimental présenté dans cette vidéo est une méthode efficace et reproductible pour l’évaluation des capacités d’imagerie des sondes échographiques CMUT innovantes. Dans sa réalisation, l’intégration d’outils matériels et logiciels ouverts s’est avérée fondamentale.

L’analyse visuelle comparative entre l’échographie et l’IRM que la méthode permet peut être encore améliorée en intégrant des techniques logicielles plus sophistiquées.