Een experimenteel Protocol voor de beoordeling van de prestaties van de nieuwe Ultrasound sondes gebaseerd op CMUT technologie in toepassing op Brain Imaging
24 september 2017
De ontwikkeling van nieuwe echografie (VS)-sondes gebaseerd op capacitieve Micromachined ultrasone Transducer (CMUT) technologie vereist een vroege realistische inschatting van beeldvormende mogelijkheden. We beschrijven een herhaalbare experimenteel protocol voor Amerikaanse Beeldacquisitie en vergelijking met magnetische resonantie beelden, met behulp van een ex vivo boviene hersenen als een imaging doel.
Er ontstaat momenteel een nieuwe familie van ultrasone sondes op basis van MEMS-transducers. CMUT-componenten worden gebouwd op silicium en hebben een aanzienlijk potentieel op het gebied van breedbandwerking, goede thermische efficiëntie en lage fabricagekosten. Deze video beschrijft een robuust en herhaalbaar experiment voor een protocol om toegang te krijgen tot de mogelijkheden van CMUT-ultrasone sondes in toepassingen voor hersenbeeldvorming tijdens de vroege prototypefase van ontwerp en ontwikkeling.
Capacitieve Micromachined Ultrasound Transducers of kortweg CMUT zijn micro-gefabriceerde arrays van kleine, elektrostatische actuatoren, die elk fungeren als een twee-ultrasone transducer. Meer in detail, in elke CMUT-cel produceert een elektrische excitatie een dynamische kracht die vervolgens mechanische trillingen van de bewegende plaat gebruikt. De aldus gegenereerde akoestische golven verspreiden zich door het medium.
Het effect wordt omgekeerd tijdens ontvangst. Akoestische golven die door weefselverstrooiing worden gegenereerd, veroorzaken trillingen van de bewegende plaat die de capaciteit van de CMUT-cel veranderen. Dit produceert een elektrisch signaal dat verder wordt versterkt en naar het ultrasone systeem wordt gestuurd.
Dit is de lineaire CMUT-sonde die wordt gebruikt voor de experimenten die in deze video worden getoond. De sondekop links bevat de CMUT-array bedekt met een akoestische lens. Het beeld rechts toont de verpakte sondekop samen met de multikanaals kabel die deze verbindt met het ultrasone systeem.
Dit is het overzicht van het protocol dat zal worden getoond. In de voorbereidende ontwerpstap wordt de positioneringsstrategie voor landmark glazen bollen gedefinieerd en wordt een Agar Phantom bereid voor kalibratie. In de set voor voorbereidende monstervoorbereiding wordt de runderhersenen voorbereid door de glazen bollen op vooraf gedefinieerde posities in te brengen en deze te fixeren in formaline.
Vervolgens worden de voorbereide runderhersenen in de MR-scan geplaatst om 3D-beelden te verkrijgen. Kwalitatieve poses worden vervolgens gedefinieerd op 3D MR-beelden met behulp van experts. Het opzetten van de experimentele omgeving vereist het planten van passieve trackingmarkers op de ultrasone sonde en het aansluiten van de ULOB-scanner en het motion tracking-systeem.
Vervolgens zijn twee kalibratiesets vereist, één voor geklemde markers op de ultrasone sonde en een andere voor het omzetten van motion tracker-posities in posities in het doel 3D MR-beeld. Ultrasone beeldverwervingen worden uitgevoerd met behulp van onze realtime visualisatietool voor het matchen van vooraf gedefinieerde, kwalitatieve poses. In de laatste stap van postverwerking worden ultrasone beelden geregistreerd op het doel 3D MR-beeld.
Freehand bewegende beelden worden ook gereconstrueerd in 3D-volumes. Een voorbereidende operatie voor de te laten zien kalibratieactiviteit omvat het gebruik van een phantom gemaakt met argala-gelei met patronen van glazen bollen die erin zijn ingebed. Voor maximale realiteit en betrouwbaarheid van het beoordelingsprotocol zijn runderhersenen verkregen uit de standaard voedselvoorzieningsketen gekozen als beeldvormingsdoelwitten.
Specimens werden voorbereid door glazen bollen op vooraf gedefinieerde posities in te brengen. Specimens werden vervolgens ondergedompeld in een formalide-oplossing en op deze manier gedurende ten minste drie weken bewaard tot volledige fixatie. Vervolgens werden meerdere magnetische resonantiescans van de runderhersenen verkregen met behulp van verschillende wachtsequenties.
Zoals te zien is, zijn glazen bollen goed zichtbaar in MR-beelden. De herhaalbaarheid van de verwerving van ultrasone beelden wordt afgedwongen door de definitie van 12 virtuele poses. Elk van deze vooraf gedefinieerde poses wijst naar een regio in de runderhersenen die rijk is aan morfologische kenmerken en weefselheterogeniteit.
Een specifiek softwareroutine biedt realtime visueel feedback over de huidige positie en oriëntatie van de ultrasone sonde met behulp van gegevens van het motion tracking-systeem. Dit is het complete en geïntegreerde ultrasone systeem. Op de mechanische arm is de CMUT-sonde aangesloten op het ULA-OP-systeem, dat een computer gebruikt die via een USB is aangesloten voor controle, programmering en visualisatie.
En de ultrasone sonde die in dit protocol wordt gebruikt, moet worden geklemd aan een arrangement van reflecterende markers zodat de positie en oriëntatie ervan kan worden geregistreerd door het motion tracking-systeem. De phantom wordt ondergedompeld in een watertank binnen het gezichtsveld van een infrarood positiesensor die de positie en oriëntatie van een gewaardeerd patroon van reflecterende markers registreert en deze via een USB naar een hoofdcomputer verzendt. De positie van elke glazen bol wordt geregistreerd met een pointer-tool.
De opname wordt aangestuurd door de operator. Het doel van de kalibratie is het vinden van de geometrische transformatie van het intrinsieke beeldframe van de sonde naar het referentiekader van reflecterende markers met behulp van de posities van de glazen bollen zoals geëxtraheerd uit de ultrasone beelden. Zodra de bollen zichtbaar zijn gemaakt in de ultrasone beelden, wordt de mechanische arm geblokkeerd en wordt het beeld verkregen.
Calibratiebeelden worden vervolgens geïmporteerd in een visualisatietool waarin de posities van de bollen handmatig worden gemarkeerd en opgeslagen in een bestand. De geometrische transformatie wordt vervolgens automatisch berekend door alle posities te vergelijken met de overeenkomstige posities die door het motion tracking-systeem zijn geregistreerd. Voor de positie van ultrasone beelden, wat het doel van het protocol is, wordt de runderhersenen na volledig wassen eerst geïmmobiliseerd op een plastic plaat en vervolgens ondergedompeld in een watertank binnen het gezichtsveld van het motion tracking-systeem.
De posities van alle glazen bollen ingebed in de runderhersenen worden handmatig geregistreerd met het motion tracking-systeem en de pointer-tool. Alle op deze manier verkregen posities worden opgeslagen in een logbestand. Het doel van de tweede kalibratieactiviteit is het vinden van de geometrische transformatie van de fysieke ruimte van het motion tracking-systeem naar het gezicht van elk MR-beeld.
Deze afbeelding toont alle opgenomen pointer-posities binnen de 3D-fase van één MR-beeld. Hier zien we de visuele feedbackroutine die wordt geïnitialiseerd na kalibratie. De 12 vooraf gedefinieerde virtuele poses
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel bespreekt de ontwikkeling van nieuwe echografie-probes die gebruikmaken van Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (CMUT)-technologie. Er wordt een reproduceerbaar experimenteel protocol beschreven voor de acquisitie van echobeelden en de vergelijking daarvan met MRI-beelden, waarbij een ex vivo runderbrein als beelddoel wordt gebruikt.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Ultrasone beeldvorming
- Biomedische technologie
- Neurowetenschappen
Achtergrond
- Opkomende ultrasone probes op basis van MEMS-transducers.
- CMUT-componenten worden gebouwd op silicium.
- Potentieel voor breedbandige werking en lage fabricagekosten.
- Belang van vroege evaluatie van de beeldvormingsmogelijkheden.
Doel van de studie
- Om een robuust experimenteel protocol vast te stellen voor CMUT-echtosondes.
- Om de beeldvormingsmogelijkheden tijdens de vroege prototypefasen te evalueren.
- Om echobeelden te vergelijken met beelden van magnetische resonantie.
Gebruikte methoden
- Experimenteel protocol voor het verkrijgen van echobeelden.
- Gebruik van ex vivo runderhersenen als beelddoel.
- Vergelijking met magnetic resonance imaging.
- Herhaalbare methodologie voor consistente resultaten.
Belangrijkste Resultaten
- Aantoonbare beeldvormingsmogelijkheden van CMUT-probes.
- Succesvolle vergelijking van echografie- en MRI-beelden.
- Validatie van het experimentele protocol voor toekomstige studies.
- Nadruk op de voordelen van CMUT-technologie bij beeldvorming van de hersenen.
Conclusies
- CMUT-technologie is veelbelovend voor toepassingen in hersenbeeldvorming.
- Vroege evaluatieprotocollen zijn cruciaal voor een effectieve ontwikkeling.
- Verder onderzoek is nodig om de beeldvormingsmogelijkheden te optimaliseren.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Vroegtijdige en reproduceerbare beoordeling van de beeldvormingsprestaties is cruciaal voor het verminderen van risico's bij nieuwe ultrasone probe-technologieën voor neuro-imaging toepassingen. Dit protocol maakt een robuuste, applicatiespecifieke evaluatie van CMUT-gebaseerde ultrasone probes mogelijk door realistische hersenweefselmodellen te integreren met kwantitatieve beeldregistratie ten opzichte van MR-referenties. Een dergelijke gestandaardiseerde beoordeling ondersteunt het voorspellende vertrouwen en vormt de basis voor go/no-go beslissingen in R&D-pijplijnen voor medische hulpmiddelen.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt een rigoureuze analyse van de beeldvormingsprestaties van nieuwe CMUT-sondeprototypes in hersenrelevante contexten mogelijk.
- Ondersteunt de functionele validatie van apparaatcapaciteiten met behulp van realistische weefselmodellen en door experts gedefinieerde anatomische doelen.
- Vergemakkelijkt voorspellend vertrouwen in het sondeontwerp voorafgaand aan translationele vervolgstudies.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Standaardiseert de kalibratie van het beeldsysteem en de acquisitieworkflows voor reproduceerbare, kwantitatieve resultaten.
- Bereidt gevalideerde beeldvormingsdatasets voor voor comparatieve analyse tussen verschillende probe-ontwerpen en acquisitieparameters.
- Maakt betrouwbare benchmarking mogelijk van de prestaties van nieuwe probes ten opzichte van gevestigde MR-beeldvormingsstandaarden.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt de beeldgevingsbeoordeling uit met de ziekterelevante heterogeniteit en morfologie van het hersenweefsel.
- Biedt continuïteit van prototypeontwikkeling van apparatuur tot preklinische validatie van beeldvorming met behulp van geïntegreerde hardware- en softwaretools.
- Ondersteunt de risico-gecorrigeerde ontwikkeling van beeldvormingstechnologieën met translationeel potentieel.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit protocol plaatst de beoordeling van beeldvormingsprobes op het snijvlak van vroege ontdekking en preklinische validatie, waardoor een brug wordt geslagen tussen het prototypen van apparaten en de translationele eisen voor beeldvorming.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing van de prestaties van probes met behulp van realistische hersenmodellen en door experts gedefinieerde anatomische doelen.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve imaging-outputs voor vergelijking en benchmarking tussen verschillende probes.
- Analytica: Integreert bewegingsregistratie en MR-registratie voor robuuste ruimtelijke analyse en visuele beoordeling.
- Translationeel onderzoek: Waarborgt ziekterelevante systeemauslijning door gebruik te maken van gefixeerd hersenweefsel met behouden morfologie.
- Herbruikbaarheid op bedrijfsniveau: Biedt een open, herhaalbaar protocol dat aanpasbaar is aan toekomstige probe-ontwerpen en imaging-platforms.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in de prestaties van de probe en vermindert mechanistische ambiguïteit in de imaging-resultaten.
- Operationele waarde: Standaardiseert workflows voor kalibratie, acquisitie en registratie voor reproduceerbaarheid en schaalbaarheid.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen en kapitaalallocatie door vroeg in de ontwikkeling robuuste vergelijkende gegevens te verschaffen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van imaging-technologieën mogelijk voor verdere ontwikkeling in neuroimaging-pipelines.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in echografische beeldvorming, MR-registratie en de bediening van motion tracking-systemen.
- Afhankelijk van toegang tot open hardwareplatforms (bijv. ULA-OP-scanner) en compatibele softwaretools.
- Vereist gestandaardiseerde monstervoorbereiding en kalibratieprocedures voor vergelijkbaarheid tussen studies.
- Aanpasbaar aan verschillende probe-ontwerpen en beeldvormingsdoelen met passende protocolmodificaties.
- Beperkt door de beschikbaarheid van realistische weefselmodellen en integratie met geavanceerde software voor beeldanalyse.
Veelgestelde vragen over biofarmacie
Chapters in this video
0:00
Title
0:55
CMUT ultrasound technology
0:21
Protocol Overview
3:57
Preliminary Design
4:14
Sample Preparation
4:44
MRI Acquisition
5:03
Qualitative Poses
5:41
Experiment Setup
6:19
Ultrasound Calibration
9:55
Ultrasound Acquisition
11:17
Acquisition of Freehand, Moving Images
12:34
Post-processing and Visualization
14:38
Representative Results
15:13
Concluding Statements
