טיפול נסיוני הערכת הביצועים של הגששים סאונד חדש מבוסס על טכנולוגיית CMUT ביישום כדי הדמיה מוחית

משפחה חדשה של בדיקות אולטרסאונד המבוססות על מתמרי MEMS מתפתחת כעת. רכיבי CMUT בנויים על סיליקון ויש להם פוטנציאל משמעותי מבחינת פעולת פס רחב, יעילות תרמית טובה ועלות ייצור נמוכה. סרטון זה מתאר ניסוי חזק וניתן לחזרה לפרוטוקול לגישה ליכולות של בדיקות אולטרסאונד CMUT ביישום להדמיית מוח במהלך שלבי התכנון והפיתוח המוקדמים של אב הטיפוס.

מתמרי אולטרסאונד מיקרו-מכונה קיבוליים או בקיצור CMUT הם מערכים מיקרו-מיוצרים של מפעילים זעירים ואלקטרוסטטיים, שכל אחד מהם פועל כמתמר דו-אולטרסאונד. ביתר פירוט, בכל תא CMUT עירור חשמלי מייצר כוח דינמי שמשתמש לאחר מכן ברטט מכני של הצלחת הנעה. הגלים האקוסטיים שנוצרים כך מתפשטים דרך המדיום.

האפקט מתהפך במהלך הקבלה. גלים אקוסטיים הנוצרים על ידי פיזור רקמות גורמים לתנודות של הלוח הנע שמשנות את הקיבול של תא ה-CMUT. זה מייצר אות חשמלי שמוגבר עוד יותר ומועבר למערכת האולטרסאונד.

זוהי בדיקת ה-CMUT הליניארית המשמשת לניסויים המוצגים בסרטון זה. ראש הבדיקה משמאל מכיל את מערך ה-CMUT המכוסה בעדשה אקוסטית. התמונה מימין מציגה את ראש הגשושית הארוז יחד עם הכבל הרב-ערוצי המחבר אותו למערכת האולטרסאונד.

זוהי הסקירה הכללית של הפרוטוקול שתוצג. בשלב התכנון הראשוני מוגדרת אסטרטגיית המיקום של כדורי זכוכית ציון דרך ומכינים פנטום אגר לכיול. בערכת הכנת הדגימה, מוח הבקר מוכן על ידי הכנסת כדורי הזכוכית במיקומים מוגדרים מראש וקיבועו בפורמלין.

לאחר מכן מוח הבקר המוכן מועבר לסריקת MR כדי לרכוש תמונות תלת מימד. לאחר מכן מוגדרות תנוחות איכותיות בתמונות MR תלת מימדיות בעזרת מומחים. הגדרת סביבת הניסוי דורשת שתילת סמני המעקב הפסיביים לבדיקת האולטרסאונד וחיבור סורק ULOB ומערכת מעקב התנועה.

לאחר מכן נדרשות שתי ערכות כיול, אחת עבור סמנים מהודקים על בדיקת האולטרסאונד ואחרת להמרת מיקומי מעקב תנועה למיקומים בתמונת ה-MR התלת-ממדית של המטרה. רכישת תמונות אולטרסאונד יבוצעו באמצעות כלי ההדמיה שלנו בזמן אמת להתאמת תנוחות מוגדרות מראש ואיכותיות. בשלב האחרון של העיבוד שלאחר העיבוד, תמונות אולטרסאונד נרשמות על תמונת ה-MR התלת-ממדית של המטרה.

תמונות נעות ביד חופשית משוחזרות גם לכרכים תלת-ממדיים. פעולה מקדימה לפעילות הכיול שתוצג בהמשך כוללת שימוש בפנטום העשוי מג'לי ארגלה עם דוגמאות של כדורי זכוכית משובצים בו. לריאליזם ואמינות מקסימליים של פרוטוקול ההערכה, מוחות בקר שהתקבלו משרשרת אספקת המזון הסטנדרטית נבחרו כמטרות הדמיה.

הדגימות הוכנו על ידי הכנסת כדורי זכוכית במיקומים מוגדרים מראש. לאחר מכן הוטבלו הדגימות בתמיסה פורמלית ונשמרו כך לפחות שלושה שבועות עד לקיבוע מוחלט. סריקות תהודה מגנטית מרובות של מוח הבקר נרכשו לאחר מכן באמצעות רצפי המתנה שונים.

כפי שניתן לראות, כדורי זכוכית ניכרים היטב בתמונות MR. החזרתיות של רכישת תמונות אולטרסאונד נאכפת על ידי ההגדרה של 12 תנוחות וירטואליות. כל אחת מהתנוחות המוגדרות מראש הללו מצביעה על אזור במוח הבקר העשיר בתכונות מורפולוגיות והטרוגניות של רקמות.

שגרת תוכנה ספציפית מספקת משוב חזותי בזמן אמת על המיקום והכיוון הנוכחיים של בדיקת האולטרסאונד באמצעות נתונים ממערכת מעקב התנועה. זוהי מערכת האולטרסאונד השלמה והמשולבת. על הזרוע המכנית, בדיקת ה-CMUT מחוברת למערכת ULA-OP, המשתמשת במחשב המחובר באמצעות USB לבקרה, תכנות והדמיה.

ובדיקת האולטרסאונד המשמשת בפרוטוקול זה חייבת להיות מהודקת לסידור של סמנים רפלקטיביים כך שניתן יהיה לרשום את מיקומה וכיוונה על ידי מערכת מעקב התנועה. הפנטום שקוע במיכל מים בשדה הראייה של חיישן מיקום אינפרא אדום המתעד את המיקום והכיוון של דפוס מדורג של סמנים רפלקטיביים ומעביר אותם באמצעות USB למחשב ביתי. המיקום של כל כדור זכוכית נרשם בעזרת כלי מצביע.

ההקלטה מונעת על ידי המפעיל. מטרת הכיול היא למצוא את הטרנספורמציה הגיאומטרית ממסגרת התמונה הפנימית של הגשושית למסגרת הייחוס של סמנים רפלקטיביים תוך שימוש במיקומי כדורי הזכוכית כפי שחולצו מתמונות האולטרסאונד. ברגע שהכדורים נראים בתמונות האולטרסאונד, הזרוע המכנית נחסמת והתמונה נרכשת.

תמונות אולטרסאונד כיול מיובאות לאחר מכן בכלי הדמיה שבו מיקומי הכדורים מסומנים באופן ידני ונשמרים בקובץ. לאחר מכן, הטרנספורמציה הגיאומטרית מחושבת באופן אוטומטי על ידי השוואת כל המיקומים הללו עם המיקומים המתאימים שנרשמו על ידי מערכת מעקב התנועה. למיקום תמונות אולטרסאונד, שהיא מטרת הפרוטוקול, לאחר שטיפה מלאה, מוח הבקר משותק תחילה על צלחת פלסטיק ולאחר מכן טובל במיכל מים בשדה הראייה של מערכת מעקב התנועה.

המיקומים של כל כדורי הזכוכית המוטבעים במוח הבקר נרשמים באופן ידני באמצעות מערכת מעקב התנועה וכלי המצביע. כל המיקומים המתקבלים בדרך זו מאוחסנים בקובץ יומן רישום. מטרת פעילות הכיול השנייה היא מציאת הטרנספורמציה הגיאומטרית מהמרחב הפיזי של מערכת מעקב התנועה לפנים של כל תמונת MR.

תמונה זו מציגה את כל מיקומי המצביע המוקלטים בתוך השלב התלת-ממדי של תמונת מציאות משולבת אחת. כאן אנו רואים את שגרת המשוב החזותי מאותחלת לאחר הכיול. 12 התנוחות הווירטואליות המוגדרות מראש גלויות למפעיל בתצוגה התלת-ממדית.

כאן החרוט האדום תואם את בדיקת האולטרסאונד המוחזקת ביד על ידי המפעיל. מיקום הגשושית נרשם על ידי מערכת מעקב התנועה ומשתנה בזמן אמת כדי לספק משוב חזותי. כאן מערכת ULOB מקליטה תמונות בשני תדרים בו זמנית.

ברגע שקצה נחשב משביע רצון, תמונת האולטרסאונד מוקפאת ונשמרת בדיסק. שיטת רכישה שונה היא על ידי סריקה חופשית של בדיקת האולטרסאונד שנעשית בזמן שמערכת ULOB מתוכנתת לבצע רכישות מהירות וחוזרות ברצף. בדרך זו, ניתן לכסות נפחי משנה שלמים של מוח הבקר בכל סריקה.

התוצאה היא רצף של פרוסות, שכל אחת מהן היא תמונת אולטרסאונד bmod שנשמרת בדיסק כולו. כל רצף מיועד לעיבוד שלאחר מכן. כאשר כל פרוסה משויכת למיקום ולכיוון המיידיים המסופקים על ידי מערכת מעקב התנועה ומשולבת ליצירת תמונה תלת מימדית של נפח המשנה המתאים.

בסך הכל, מטרת עיבוד התמונה בפרוטוקול זה היא לאפשר ניתוח חזותי השוואתי של תמונות אולטרסאונד עם תמונות MR לאחר רישום מיוחד. כאן אנו רואים את מערך הנתונים של 12 תמונות המתאימות לתנוחות מוגדרות מראש המשולבות בשחזור תלת מימד לאחר רישום מרחבי. באמצעות כלי תוכנת הדמיה, ניתן לראות כל תמונת אולטרסאונד המתאימה לתנוחה מוגדרת מראש בסופרפוזיציה לפרוסה המתאימה של תמונת ה-MR התלת מימדית ולהעריך את טוהר תוכן התמונה.

באנימציה אחרונה זו, אנו יכולים לראות את תוצאות השחזור התלת מימדי של כל רצפי התמונות הפרוסות שנרכשו בתנועה אחת במצב חופשי. מלבד כמה חפצי שחזור, איכות התמונות הללו נותנת מושג ברור על רמת הביצועים שניתן להשיג באמצעות הטכנולוגיה והיישום להדמיית מוח. התוצאה העיקרית שהושגה בניסויים המתוארים היא הוכחת יעילות הפרוטוקול להערכת ביצועי הדמיית הגשושית CMUT ועל המערכת המשולבת של כלי חומרה ותוכנה לכל ביצוע.

בנוסף, התקבלו מערכי נתונים מלאים של תמונות אולטרסאונד ו-MR רשומות וניתן להשתמש בהם כדי לתמוך בסטטוס רחוק יותר בניתוח תמונה אוטומטי. לסיכום, פרוטוקול הניסוי המוצג בסרטון זה הוא שיטה יעילה וניתנת לחזרה להערכת יכולות ההדמיה של בדיקות אולטרסאונד CMUT חדשניות. במימושו, השילוב של כלי חומרה ותוכנה פתוחים הוכיח את עצמו כבסיסי.

ניתן לשפר עוד יותר את הניתוח החזותי ההשוואתי של אולטרסאונד ל-MR שהשיטה מאפשרת על ידי שילוב טכניקות תוכנה מתוחכמות יותר.