脳イメージングへの応用による CMUT 技術に基づく新しい超音波プローブの性能を評価するための実験プロトコル

現在、MEMSトランスデューサーに基づく超音波プローブの新しいファミリーが登場しています。CMUTコンポーネントはシリコン上に構築されており、広帯域動作、優れた熱効率、および低い製造コストの点で大きな可能性を秘めています。このビデオでは、設計と開発の初期のプロトタイピング段階で、CMUT超音波プローブの機能にアクセスするためのプロトコルの堅牢で再現性のある実験について説明します。

静電容量式微細加工超音波トランスデューサ(略してCMUT)は、小さな静電アクチュエータの微細加工アレイであり、それぞれが2つの超音波トランスデューサとして機能します。より詳細には、各CMUTセルでは、電気的励起によって動的力が生成され、それが可動プレートの機械的振動を利用します。このようにして生成された音波は、媒体内を伝播します。

受信時には効果が逆転します。組織散乱によって発生する音波は、移動プレートの振動を引き起こし、CMUT細胞の静電容量を変化させます。これにより電気信号が生成され、電気信号はさらに増幅されて超音波システムに送信されます。

これは、このビデオで示されている実験に使用された線形CMUTプローブです。左側のプローブヘッドには、音響レンズで覆われたCMUTアレイが含まれています。右の画像は、パッケージ化されたプローブヘッドと、それを超音波システムに接続するマルチチャネルケーブルを示しています。

これは、表示されるプロトコルの概要です。予備設計ステップでは、ランドマークガラス球の位置決め戦略が定義され、寒天ファントムがキャリブレーションのために準備されます。サンプル調製セットでは、ガラス球を所定の位置に挿入し、ホルマリンで固定することにより、ウシの脳を調製します。

次に、準備されたウシの脳をMRスキャンに渡して3D画像を取得します。次に、専門家の助けを借りて、定性的なポーズを3D MR画像で定義します。実験環境を設定するには、パッシブトラッキングマーカーを超音波プローブに植え付け、ULOBスキャナーとモーショントラッキングシステムを接続する必要があります。

次に、超音波プローブのクランプマーカー用と、モーショントラッカーの位置をターゲット3D MR画像の位置に変換するための2つのキャリブレーションセットが必要になります。超音波画像の取得は、事前定義された定性的なポーズを一致させるためのリアルタイム視覚化ツールを使用して実行されます。後処理の最終ステップでは、超音波画像を対象の3D MR画像に登録します。

フリーハンドの動画も3Dボリュームに再構築されます。後で説明するキャリブレーションアクティビティの予備操作には、ガラス球のパターンが埋め込まれたアルガラゼリーで作られたファントムの使用が含まれます。評価プロトコルのリアリズムと信頼性を最大限に高めるために、標準的な食品供給チェーンから得られたウシの脳をイメージングターゲットとして選択しました。

試料は、所定の位置にガラス球を挿入して作製しました。次に、標本をフォーマルな溶液に浸し、完全に固定されるまで少なくとも3週間この方法で保持しました。次に、ウシ脳の複数の磁気共鳴スキャンを、異なる待機シーケンスを使用して取得しました。

ご覧のとおり、MR画像ではガラス球がよくわかります。超音波画像の取得の再現性は、12の仮想ポーズの定義によって強化されます。これらの事前定義された各ポーズは、形態学的特徴と組織の不均一性が豊富なウシの脳の領域を指しています。

特定のソフトウェアルーチンは、モーショントラッキングシステムのデータを使用して、超音波プローブの現在の位置と向きに関するリアルタイムの視覚的フィードバックを提供します。これは、完全で統合された超音波システムです。メカニカルアームでは、CMUTプローブをULA-OPシステムに接続し、USBで接続されたコンピューターを使用して制御、プログラミング、および視覚化します。

また、このプロトコルで使用される超音波プローブは、モーショントラッキングシステムによって位置と向きを記録できるように、反射マーカーの配置に固定する必要があります。ファントムは、赤外線位置センサーの視野内の水タンクに浸され、反射マーカーの定格パターンの位置と向きを記録し、USBで家庭用コンピューターに送信します。各ガラス球の位置は、ポインターツールで記録されます。

録音はオペレーターによって駆動されます。キャリブレーションの目的は、超音波画像から抽出されたガラス球の位置を使用して、プローブの固有の画像フレームから反射マーカーの参照フレームへの幾何学的変換を見つけることです。球体が超音波画像で見えるようになると、メカニカルアームがブロックされ、画像が取得されます。

その後、キャリブレーション超音波画像は視覚化ツールにインポートされ、球体の位置が手動でマークされ、ファイルに保存されます。幾何学的変換は、これらすべての位置をモーショントラッキングシステムによって記録された対応する位置と比較することにより、自動的に計算されます。プロトコルの目的である超音波画像の位置については、完全な洗浄後、まずウシの脳をプラスチックプレートに固定し、次にモーショントラッキングシステムの視野内の水タンク

ウシの脳に埋め込まれたすべてのガラス球の位置は、モーショントラッキングシステムとポインターツールで手動で記録されます。この方法で取得されたすべての位置は、ログファイルに保存されます。2 番目のキャリブレーション アクティビティの目的は、モーション トラッキング システムの物理空間から各 MR 画像の面への幾何学的変換を見つけることです。

この画像は、1 つの MR 画像の 3D フェーズ内に記録されたすべてのポインター位置を示しています。ここでは、キャリブレーション後に初期化されるビジュアルフィードバックルーチンを示しています。12 の事前定義された仮想ポーズは、3D ビューでオペレーターに表示されます。

ここで、赤いコーンは、オペレーターがハンドヘルドする超音波プローブに対応しています。プローブの位置はモーショントラッキングシステムによって記録され、リアルタイムで変換されて視覚的なフィードバックを提供します。ここでは、ULOBシステムが2つの周波数で同時に画像を記録しています。

エッジが問題ないと判断されると、超音波画像はフリーズされ、ディスクに保存されます。異なる取得モダリティは、超音波プローブをフリーハンドでスイープし、ULOBシステムが高速で反復的な取得を順番に実行するようにプログラムされていることです。このようにして、ウシの脳の全サブボリュームを各スイープでカバーできます。

その結果、スライスのシーケンスが作成され、それぞれが bmod 超音波画像としてディスク全体に保存されます。各シーケンスは、後処理を目的としています。各スライスがモーショントラッキングシステムによって提供される瞬間的な位置と向きに関連付けられ、対応するサブボリュームの3次元画像を形成するために組み合わされる場合。

全体として、このプロトコルでの画像後処理の目的は、特別なレジストレーション後の超音波画像とMR画像の比較視覚分析を可能にすることです。ここでは、空間レジストレーション後の3D再構成で結合された事前定義されたポーズに対応する12枚の画像のデータセットを示します。可視化ソフトウェアツールを用いて、あらかじめ決められたポーズに対応する各超音波画像を、3次元MR画像の対応するスライスに重ね合わせて見ることができ、画像内容の純度を評価することができます。

この最終的なアニメーションでは、フリーハンドモードでの 1 回のスイープで取得したスライスされた画像のシーケンス全体を 3 次元再構成した結果を確認できます。いくつかの再構成アーティファクトを除けば、これらの画像の品質は、この技術と脳イメージングへの応用で達成できるパフォーマンスレベルを明確に示しています。説明した実験で達成された主な結果は、CMUTプローブイメージング性能の評価と、各実行のためのハードウェアおよびソフトウェアツールの統合システムに対するプロトコルの有効性を証明することです。

さらに、登録された超音波およびMR画像の完全なデータセットが取得されており、これを使用して自動画像解析のより遠いステータスをサポートすることができます。結論として、このビデオで紹介されている実験プロトコルは、革新的なCMUT超音波プローブのイメージング機能を評価するための効果的で再現性のある方法です。その実現にあたり、オープンなハードウェアとソフトウェアツールの統合が基本であることが証明されました。

この方法が可能にする超音波とMRの比較視覚分析は、より洗練されたソフトウェア技術を統合することでさらに強化できます。