Un protocollo sperimentale per valutare le prestazioni delle nuove sonde ad ultrasuoni basato sulla tecnologia CMUT nell'applicazione di formazione immagine del cervello

Attualmente sta emergendo una nuova famiglia di sonde a ultrasuoni basate su trasduttori MEMS. I componenti CMUT sono costruiti in silicio e hanno un potenziale significativo in termini di funzionamento a banda larga, buona efficienza termica e bassi costi di fabbricazione. Questo video descrive un esperimento robusto e ripetibile per il protocollo per l'accesso alle capacità delle sonde ecografiche CMUT in applicazione all'imaging cerebrale durante le prime fasi di prototipazione della progettazione e dello sviluppo.

I trasduttori a ultrasuoni microlavorati capacitivi o CMUT in breve sono array microfabbricati di minuscoli attuatori elettrostatici, ciascuno dei quali funge da trasduttore a due ultrasuoni. Più in dettaglio, in ogni cella CMUT un'eccitazione elettrica produce una forza dinamica che poi utilizza la vibrazione meccanica della piastra in movimento. Le onde acustiche così generate si propagano attraverso il mezzo.

L'effetto viene invertito durante la ricezione. Le onde acustiche generate dalla diffusione tissutale provocano vibrazioni della piastra mobile che modificano la capacità della cella CMUT. Questo produce un segnale elettrico che viene ulteriormente amplificato e trasmesso al sistema a ultrasuoni.

Questa è la sonda CMUT lineare utilizzata per gli esperimenti mostrati in questo video. La testa della sonda a sinistra contiene l'array CMUT coperto da una lente acustica. L'immagine a destra mostra la testa della sonda confezionata insieme al cavo multicanale che la collega al sistema a ultrasuoni.

Questa è la panoramica del protocollo che verrà mostrato. Nella fase preliminare di progettazione, viene definita la strategia di posizionamento per le sfere di vetro di riferimento e viene preparato un Agar Phantom per la calibrazione. Nel set di preparazione del campione, il cervello bovino viene preparato inserendo le sfere di vetro in posizioni predefinite e fissandolo in formalina.

Quindi il cervello bovino preparato viene passato alla risonanza magnetica per acquisire immagini 3D. Le pose qualitative vengono poi definite su immagini RM 3D con l'aiuto di esperti. La configurazione dell'ambiente sperimentale richiede l'installazione dei marcatori di tracciamento passivi alla sonda a ultrasuoni e il collegamento dello scanner ULOB e del sistema di tracciamento del movimento.

Sono quindi necessari due set di calibrazione, uno per i marcatori bloccati sulla sonda ecografica e un altro per convertire le posizioni del motion tracker in posizioni nell'immagine RM 3D target. Le acquisizioni delle immagini ecografiche verranno eseguite utilizzando il nostro strumento di visualizzazione in tempo reale per abbinare pose qualitative predefinite. Nella fase finale della post-elaborazione, le immagini ecografiche vengono registrate sull'immagine RM 3D target.

Anche le immagini in movimento a mano libera vengono ricostruite in volumi 3D. Un'operazione preliminare per l'attività di calibrazione che verrà mostrata in seguito prevede l'utilizzo di un fantoccio realizzato con gelatina di argala con disegni di sfere di vetro incorporati al suo interno. Per il massimo realismo e affidabilità del protocollo di valutazione, sono stati scelti come bersagli di imaging cervelli bovini ottenuti dalla filiera alimentare standard.

I campioni sono stati preparati inserendo sfere di vetro in posizioni predefinite. I campioni sono stati quindi immersi in una soluzione formalizzata e conservati in questo modo per almeno tre settimane fino alla completa fissazione. Sono state quindi acquisite più scansioni di risonanza magnetica del cervello bovino utilizzando diverse sequenze di attesa.

Come si può vedere, le sfere di vetro sono ben evidenti nelle immagini RM. La ripetibilità dell'acquisizione delle immagini ecografiche è rafforzata dalla definizione di 12 pose virtuali. Ognuna di queste pose predefinite indica una regione del cervello bovino ricca di caratteristiche morfologiche ed eterogeneità tissutale.

Una specifica routine software fornisce un feedback visivo in tempo reale sulla posizione corrente e sull'orientamento della sonda ecografica utilizzando i dati del sistema di tracciamento del movimento. Questo è il sistema ad ultrasuoni completo e integrato. Sul braccio meccanico, la sonda CMUT è collegata al sistema ULA-OP, che utilizza un computer collegato tramite USB per il controllo, la programmazione e la visualizzazione.

E la sonda ecografica utilizzata in questo protocollo deve essere fissata a una disposizione di marcatori riflettenti in modo che la sua posizione e il suo orientamento possano essere registrati dal sistema di tracciamento del movimento. Il phantom è immerso in un serbatoio d'acqua all'interno del campo visivo di un sensore di posizione a infrarossi che registra la posizione e l'orientamento di un modello nominale di marcatori riflettenti e li trasmette tramite USB a un computer di casa. La posizione di ogni sfera di vetro viene registrata con uno strumento puntatore.

La registrazione è guidata dall'operatore. L'obiettivo della calibrazione è quello di trovare la trasformazione geometrica dal frame di immagine intrinseco della sonda al frame di riferimento dei marcatori riflettenti utilizzando le posizioni delle sfere di vetro estratte dalle immagini ecografiche. Una volta che le sfere sono state rese visibili nelle immagini ecografiche, il braccio meccanico viene bloccato e l'immagine viene acquisita.

Le immagini ecografiche di calibrazione vengono quindi importate in uno strumento di visualizzazione in cui le posizioni delle sfere vengono contrassegnate manualmente e salvate in un file. La trasformazione geometrica viene quindi calcolata automaticamente confrontando tutte queste posizioni con le corrispondenti posizioni registrate dal sistema di tracciamento del movimento. Per la posizione delle immagini ecografiche, che è l'obiettivo del protocollo, dopo il completo lavaggio, il cervello bovino viene prima immobilizzato su una piastra di plastica e poi immerso in un serbatoio d'acqua all'interno del campo visivo del sistema di tracciamento del movimento.

Le posizioni di tutte le sfere di vetro incorporate nel cervello bovino vengono registrate manualmente con il sistema di tracciamento del movimento e lo strumento puntatore. Tutte le posizioni ottenute in questo modo vengono memorizzate in un file di registro. L'obiettivo della seconda attività di calibrazione è quello di trovare la trasformazione geometrica dallo spazio fisico del sistema di tracciamento del movimento alla faccia di ogni immagine RM.

Questa immagine mostra tutte le posizioni dei puntatori registrate all'interno della fase 3D di un'immagine RM. Qui vediamo la routine di feedback visivo che viene inizializzata dopo la calibrazione. Le 12 pose virtuali predefinite sono visibili all'operatore nella vista 3D.

In questo caso, il cono rosso corrisponde alla sonda ecografica che viene utilizzata in mano dall'operatore. La posizione della sonda viene registrata dal sistema di tracciamento del movimento e trasformata in tempo reale per fornire un feedback visivo. In questo caso, il sistema ULOB registra immagini a due frequenze contemporaneamente.

Una volta che un bordo è considerato soddisfacente, l'immagine ecografica viene congelata e salvata su disco. Una diversa modalità di acquisizione consiste in una scansione a mano libera della sonda ecografica effettuata mentre il sistema ULOB è programmato per eseguire acquisizioni rapide e ripetute in sequenza. In questo modo, interi sottovolumi del cervello bovino possono essere coperti in ogni passata.

Il risultato è una sequenza di sezioni, ognuna delle quali è un'immagine ecografica bmod che viene salvata sul disco nel suo insieme. Ogni sequenza è destinata alla post-elaborazione. Quando ogni fetta è associata alla posizione e all'orientamento istantanei forniti dal sistema di tracciamento del movimento e combinata per formare un'immagine tridimensionale del sottovolume corrispondente.

Nel complesso, l'obiettivo della post-elaborazione delle immagini in questo protocollo è quello di consentire un'analisi visiva comparativa delle immagini ecografiche con le immagini RM dopo una registrazione speciale. Qui vediamo il set di dati di 12 immagini corrispondenti a pose predefinite combinate in una ricostruzione 3D dopo la registrazione spaziale. Utilizzando uno strumento software di visualizzazione, ogni immagine ecografica corrispondente a una posa predefinita può essere vista in sovrapposizione alla sezione corrispondente dell'immagine RM tridimensionale e può essere valutata la purezza del contenuto dell'immagine.

In questa animazione finale, possiamo vedere i risultati della ricostruzione tridimensionale delle intere sequenze delle immagini affettate acquisite con un singolo sweep in modalità a mano libera. A parte alcuni artefatti di ricostruzione, la qualità di queste immagini dà una chiara idea del livello di prestazioni che può essere raggiunto con la tecnologia e l'applicazione all'imaging cerebrale. Il principale risultato raggiunto con gli esperimenti descritti è dimostrare l'efficacia del protocollo per la valutazione delle prestazioni di imaging della sonda CMUT e sul sistema integrato di strumenti hardware e software per ogni esecuzione.

Inoltre, sono stati ottenuti set completi di dati di immagini ecografiche e RM registrate che possono essere utilizzate per supportare uno stato più avanzato nell'analisi automatizzata delle immagini. In conclusione, il protocollo sperimentale presentato in questo video è un metodo efficace e ripetibile per la valutazione delle capacità di imaging di innovative sonde ecografiche CMUT. Nella sua realizzazione si è rivelata fondamentale l'integrazione di strumenti open hardware e software.

L'analisi visiva comparativa tra ultrasuoni e risonanza magnetica che il metodo consente può essere ulteriormente migliorata integrando tecniche software più sofisticate.