뇌 이미징 응용 프로그램에서 CMUT 기술에 기반 하는 새로운 초음파 프로브의 성능을 평가 하기 위한 실험 프로토콜

MEMS 트랜스듀서를 기반으로 하는 새로운 초음파 프로브 제품군이 현재 등장하고 있습니다. CMUT 구성 요소는 실리콘으로 구성되며 광대역 작동, 우수한 열 효율 및 낮은 제조 비용 측면에서 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 이 비디오는 설계 및 개발의 초기 프로토타이핑 단계에서 뇌 이미징에 적용되는 CMUT 초음파 프로브의 기능에 액세스하기 위한 프로토콜에 대한 강력하고 반복 가능한 실험에 대해 설명합니다.

정전식 미세 가공 초음파 트랜스듀서 또는 줄여서 CMUT는 각각 2개의 초음파 트랜스듀서로 작동하는 작은 정전기 액추에이터의 미세 제작 어레이입니다. 좀 더 자세히 설명하자면, 각 CMUT 셀에서 전기 여기는 움직이는 플레이트의 기계적 진동을 사용하는 동적 힘을 생성합니다. 이렇게 생성된 음파는 매체를 통해 전파됩니다.

효과는 수신 중에 반전됩니다. 조직 산란에 의해 생성된 음파는 CMUT 셀의 커패시턴스를 변화시키는 움직이는 플레이트의 진동을 유발합니다. 이것은 추가로 증폭되어 초음파 시스템으로 전송되는 전기 신호를 생성합니다.

이 비디오에 표시된 실험에 사용된 선형 CMUT 프로브입니다. 왼쪽의 프로브 헤드에는 음향 렌즈로 덮인 CMUT 어레이가 포함되어 있습니다. 오른쪽 이미지는 패키징된 프로브 헤드와 이를 초음파 시스템에 연결하는 다중 채널 케이블을 보여줍니다.

다음은 표시될 프로토콜의 개요입니다. 예비 설계 단계에서는 랜드마크 유리 구체에 대한 포지셔닝 전략을 정의하고 Agar Phantom을 보정할 준비를 합니다. 샘플 준비 세트에서 소의 뇌는 미리 정의된 위치에 유리 구체를 삽입하고 포르말린에 고정하여 준비됩니다.

그런 다음 준비된 소의 뇌를 MR 스캔으로 전달하여 3D 이미지를 획득합니다. 그런 다음 전문가의 도움을 받아 3D MR 이미지에서 질적 포즈를 정의합니다. 실험 환경을 설정하려면 수동 추적 마커를 초음파 프로브에 설치하고 ULOB 스캐너와 모션 추적 시스템을 연결해야 합니다.

그런 다음 두 개의 보정 세트가 필요한데, 하나는 초음파 프로브의 클램핑된 마커를 위한 것이고 다른 하나는 모션 트래커 위치를 대상 3D MR 이미지의 위치로 변환하기 위한 것입니다. 초음파 이미지 획득은 사전 정의된 정성적 포즈를 일치시키기 위해 실시간 시각화 도구를 사용하여 수행됩니다. 후처리의 마지막 단계에서는 대상 3D MR 이미지에 초음파 이미지를 등록합니다.

자유형 동영상 이미지도 3D 볼륨으로 재구성됩니다. 나중에 보여줄 보정 작업을 위한 예비 작업에는 유리 구체 패턴이 내장된 argala jelly로 만든 팬텀을 사용하는 것이 포함됩니다. 평가 프로토콜의 현실감과 신뢰성을 극대화하기 위해 표준 식품 공급망에서 얻은 소의 뇌를 이미징 대상으로 선택했습니다.

표본은 미리 정의된 위치에 유리 구를 삽입하여 준비되었습니다. 그런 다음 표본을 공식 용액에 담그고 완전히 고정될 때까지 최소 3주 동안 이러한 방식으로 보관했습니다. 그런 다음 소 뇌의 여러 자기 공명 스캔을 서로 다른 대기 시퀀스를 사용하여 획득했습니다.

보시다시피 유리 구체는 MR 이미지에서 잘 보입니다. 초음파 이미지 획득의 반복성은 12개의 가상 포즈의 정의에 의해 적용됩니다. 이러한 사전 정의된 각 포즈는 형태학적 특징과 조직 이질성이 풍부한 소 뇌의 영역을 가리킵니다.

특정 소프트웨어 루틴은 모션 추적 시스템의 데이터를 사용하여 초음파 프로브의 현재 위치와 방향에 대한 실시간 시각적 피드백을 제공합니다. 이것은 완전하고 통합된 초음파 시스템입니다. 기계 암에서 CMUT 프로브는 ULA-OP 시스템에 연결되며, 이 시스템은 제어, 프로그래밍 및 시각화를 위해 USB로 연결된 컴퓨터를 사용합니다.

그리고 이 프로토콜에 사용되는 초음파 프로브는 모션 추적 시스템에서 위치와 방향을 기록할 수 있도록 반사 마커 배열에 고정되어야 합니다. 팬텀은 적외선 위치 센서의 시야 내에 있는 물 탱크에 잠기며, 이 센서는 반사 마커의 정격 패턴의 위치와 방향을 기록하고 USB를 통해 가정용 컴퓨터로 전송합니다. 각 유리 구의 위치는 포인터 도구로 기록됩니다.

녹음은 작업자가 주도합니다. 보정의 목적은 초음파 이미지에서 추출된 유리 구의 위치를 사용하여 프로브의 고유 이미지 프레임에서 반사 마커의 참조 프레임으로의 기하학적 변환을 찾는 것입니다. 초음파 이미지에서 구체가 보이게 되면 기계 팔이 막히고 이미지가 획득됩니다.

그런 다음 교정 초음파 이미지를 시각화 도구로 가져와 구의 위치를 수동으로 표시하고 파일에 저장합니다. 그런 다음 기하학적 변환은 이러한 모든 위치를 모션 추적 시스템에 의해 기록된 해당 위치와 비교하여 자동으로 계산됩니다. 프로토콜의 목적인 초음파 이미지의 위치를 위해 세척을 완료한 후 소의 뇌를 먼저 플라스틱 플레이트에 고정한 다음 모션 추적 시스템의 시야 내에 있는 물 탱크에 담급니다.

소의 뇌에 내장된 모든 유리 구체의 위치는 모션 추적 시스템과 포인터 도구를 사용하여 수동으로 기록됩니다. 이러한 방식으로 얻은 모든 위치는 로그 파일에 저장됩니다. 두 번째 보정 활동의 목적은 모션 추적 시스템의 물리적 공간에서 각 MR 이미지의 얼굴에 이르는 기하학적 변환을 찾는 것입니다.

이 이미지는 하나의 MR 이미지의 3D 단계 내에 기록된 모든 포인터 위치를 보여줍니다. 여기에서 보정 후 시각적 피드백 루틴이 초기화되는 것을 볼 수 있습니다. 사전 정의된 12개의 가상 포즈는 3D 보기에서 작업자가 볼 수 있습니다.

여기서 빨간색 원뿔은 작업자가 휴대하는 초음파 프로브에 해당합니다. 프로브 위치는 모션 추적 시스템에 의해 기록되고 실시간으로 변환되어 시각적 피드백을 제공합니다. 여기서 ULOB 시스템은 두 개의 주파수에서 동시에 이미지를 기록합니다.

가장자리가 만족스러운 것으로 간주되면 초음파 이미지가 고정되어 디스크에 저장됩니다. 다른 획득 방식은 ULOB 시스템이 빠르고 반복적인 획득을 순서대로 수행하도록 프로그래밍된 동안 만들어진 초음파 프로브의 자유 스윕에 의한 것입니다. 이런 식으로, 소 뇌의 전체 하위 부피는 각 스윕에서 커버될 수 있습니다.

그 결과 일련의 슬라이스가 생성되며, 각 슬라이스는 디스크 전체에 저장되는 bmod 초음파 이미지입니다. 각 시퀀스는 후처리를 위한 것입니다. 각 슬라이스가 모션 트래킹 시스템에 의해 제공되는 순간 위치 및 배향과 연관되고, 해당 서브 볼륨의 3차원 그림을 형성하기 위해 결합될 때.

전반적으로 이 프로토콜에서 이미지 후처리의 목적은 특수 등록 후 초음파 이미지와 MR 이미지를 비교하는 시각적 분석을 가능하게 하는 것입니다. 여기서 우리는 공간 등록 후 3D 재구성에 결합된 사전 정의된 포즈에 해당하는 12개의 이미지 데이터 세트를 볼 수 있습니다. 시각화 소프트웨어 도구를 사용하여 사전 정의된 포즈에 해당하는 각 초음파 이미지를 3차원 MR 이미지의 해당 슬라이스에 중첩하여 볼 수 있으며 이미지 내용의 순도를 평가할 수 있습니다.

이 최종 애니메이션에서는 자유형 모드에서 한 번의 스윕으로 획득한 슬라이스된 이미지의 전체 시퀀스를 3차원으로 재구성한 결과를 볼 수 있습니다. 몇 가지 재구성 아티팩트를 제외하고, 이러한 이미지의 품질은 뇌 이미징에 대한 기술과 적용으로 달성할 수 있는 성능 수준에 대한 명확한 아이디어를 제공합니다. 설명된 실험으로 달성한 주요 결과는 CMUT 프로브 이미징 성능 평가를 위한 프로토콜과 각 실행을 위한 하드웨어 및 소프트웨어 도구의 통합 시스템에 대한 프로토콜의 효과를 입증하는 것입니다.

또한 등록된 초음파 및 MR 이미지의 완전한 데이터 세트가 얻어졌으며 이는 자동화된 이미지 분석에서 더 먼 상태를 지원하는 데 사용할 수 있습니다. 결론적으로, 이 비디오에 제시된 실험 프로토콜은 혁신적인 CMUT 초음파 프로브의 이미징 기능을 평가하기 위한 효과적이고 반복 가능한 방법입니다. 이를 실현하는 과정에서 개방형 하드웨어와 소프트웨어 도구의 통합이 근본적인 것으로 입증되었습니다.

이 방법을 통해 허용되는 초음파와 MR 육안 분석의 비교는 보다 정교한 소프트웨어 기술을 통합함으로써 더욱 향상될 수 있습니다.