Artykuł metodologiczny

Eksperymentalny protokół oceny wydajności nowych sond ultradźwiękowych opartych na technologii CMUT w zastosowaniu do obrazowania mózgu

DOI:

10.3791/55798

⸱

24 września 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Electrical, Computer and Biomedical Engineering, University of Pavia, 2Department of Information Engineering, University of Florence, 3Department of Engineering, Roma Tre University, 4FTMTR&D/SPA, STMicroelectronics, 5Brain Connectivity Center, BCC, Istituto Neurologico Nazionale Fondazione C. Mondino I.R.C.C.S., 6Department of Molecular Medicine - Unit of Pathology, University of Pavia, Foundation IRCCS Policlinico San Matteo

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rozwój nowych sond ultradźwiękowych (US) opartych na technologii pojemnościowego mikroobrabianego przetwornika ultradźwiękowego (CMUT) wymaga wczesnej realistycznej oceny możliwości obrazowania. Opisujemy powtarzalny protokół eksperymentalny do pozyskiwania obrazów w USA i porównywania ich z obrazami rezonansu magnetycznego, wykorzystując mózg bydlęcy ex vivo jako cel obrazowania.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Możliwość przeprowadzenia wczesnej i powtarzalnej oceny wydajności obrazowania jest fundamentalna w procesie projektowania i rozwoju nowych sond ultradźwiękowych (US). W szczególności bardziej realistyczna analiza z celami obrazowania specyficznymi dla aplikacji może być niezwykle cenna dla oceny oczekiwanej wydajności sond amerykańskich w ich potencjalnym klinicznym obszarze zastosowań.

Eksperymentalny protokół przedstawiony w tej pracy został celowo zaprojektowany, aby zapewnić specyficzną dla aplikacji procedurę oceny dla nowo opracowanych prototypów sond amerykańskich opartych na technologii pojemnościowego mikroobrabianego przetwornika ultradźwiękowego (CMUT) w odniesieniu do obrazowania mózgu.

Protokół łączy użycie mózgu bydlęcego utrwalonego w formalinie jako celu obrazowania, co zapewnia zarówno realizm, jak i powtarzalność opisanych procedur, a także technik neuronawigacji zapożyczonych z neurochirurgii. Amerykańska sonda jest w rzeczywistości podłączona do systemu śledzenia ruchu, który pozyskuje dane o pozycji i umożliwia superpozycję obrazów amerykańskich w celu odniesienia się do obrazów mózgu z rezonansu magnetycznego (MR). Daje to ekspertom możliwość przeprowadzenia wizualnej oceny jakościowej wydajności obrazowania sondy amerykańskiej i porównania zakupów dokonanych za pomocą różnych sond. Co więcej, protokół opiera się na wykorzystaniu kompletnego i otwartego systemu badawczo-rozwojowego do pozyskiwania obrazów w USA, tj. skanera Ultrasound Advanced Open Platform (ULA-OP).

Rękopis szczegółowo opisuje instrumenty i procedury związane z protokołem, w szczególności do kalibracji, pozyskiwania obrazów i rejestracji obrazów US i MR. Uzyskane wyniki dowodzą skuteczności całego przedstawionego protokołu, który jest całkowicie otwarty (w granicach zastosowanego oprzyrządowania), powtarzalny i obejmuje cały zestaw czynności związanych z akwizycją i przetwarzaniem obrazów amerykańskich.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rosnący rynek małych i przenośnych ultrasonografów (US) prowadzi do rozwoju nowych sond echograficznych, w których część elektroniki kondycjonującej sygnał i kształtującej wiązkę jest zintegrowana z uchwytem sondy, szczególnie do obrazowania 3D/4D1. Nowe technologie szczególnie nadające się do osiągnięcia tak wysokiego poziomu integracji obejmują mikroobrabiane przetworniki ultradźwiękowe (MUTs)2, klasę przetworników mikroelektromechanicznych (MEMS) wytwarzanych na krzemie. W szczególności pojemnościowe MUT (CMUT) w końcu osiągnęły dojrzałość technologiczną, która czyni je ważną alternatywą dla przetworników piezoelektrycznych dla systemów obrazowania ultrasonograficznego nowej generacji3. Matryce CMUT są bardzo atrakcyjne ze względu na ich kompatybilność z technologiami mikroelektronicznymi, szerokie pasmo - co daje wyższą rozdzielczość obrazu - wysoką wydajność cieplną, a przede wszystkim wysoką czułość4. W ramach projektu ENIAC JU DeNeCoR (Devices for NeuroControl and NeuroRehabilitation)5, opracowywane są sondy CMUT 6 do zastosowań w obrazowaniu mózgu w USA (np. neurochirurgia), gdzie wymagane są wysokiej jakości obrazy 2D/3D/4D i dokładne odwzorowanie struktur mózgu.

W procesie rozwoju nowych sond amerykańskich, możliwość przeprowadzenia wczesnych ocen wydajności obrazowania jest fundamentalna. Typowe techniki oceny polegają na pomiarze określonych parametrów, takich jak rozdzielczość i kontrast, w oparciu o obrazy fantomów naśladujących tkanki z osadzonymi celami o znanej geometrii i echogeniczności. Bardziej realistyczna analiza z celami obrazowania specyficznymi dla aplikacji może być niezwykle cenna dla wczesnej oceny oczekiwanej wydajności sond amerykańskich w ich potencjalnym zastosowaniu w określonej dziedzinie klinicznej. Z drugiej strony, pełna powtarzalność akwizycji ma fundamentalne znaczenie dla badań porównawczych różnych konfiguracji w czasie, a wymóg ten całkowicie wyklucza eksperymenty in vivo.

Kilka prac w literaturze na temat technik obrazowania diagnostycznego proponowało użycie próbek zwierząt ex vivo7, mózgi zwłok8, lub fantomy naśladujące tkanki9 do różnych celów10, które obejmują testowanie metod obrazowania, algorytmów rejestracji, sekwencji rezonansu magnetycznego (MR) lub amerykańskiego wzorca wiązki i wynikowej jakości obrazu. Na przykład w kontekście obrazowania mózgu Lazebnik i wsp.7 użył utrwalonego w formalinie mózgu owcy do oceny nowej metody rejestracji MR 3D; podobnie Choe i wsp.11 zbadał procedurę rejestracji obrazów MR i mikroskopii świetlnej nieruchomego mózgu małpy sowy. Fantom mózgu z polialkoholem winylowym (PVA) został opracowany w9 i wykorzystany do wykonywania multimodalnych akwizycji obrazów (tj. MR, US i tomografii komputerowej) w celu wygenerowania współdzielonego zestawu danych obrazu12 do testowania algorytmów rejestracji i obrazowania.

Ogólnie rzecz biorąc, te badania potwierdzają, że wykorzystanie realistycznego celu do pozyskiwania obrazów jest rzeczywiście niezbędnym krokiem podczas rozwoju nowej techniki obrazowania. Stanowi to jeszcze bardziej krytyczny etap przy projektowaniu nowego urządzenia do obrazowania, takiego jak sonda CMUT US przedstawiona w tym artykule, która jest nadal w fazie prototypowania i wymaga obszernych i powtarzalnych testów w czasie, w celu dokładnego dostrojenia wszystkich parametrów projektowych przed jego ostateczną realizacją i możliwą walidacją w aplikacjach in vivo (jak w13, 14,15).

Eksperymentalny protokół opisany w tej pracy został zatem zaprojektowany, aby zapewnić solidną, specyficzną dla aplikacji procedurę oceny obrazowania dla nowo opracowanych amerykańskich sond opartych na technologii CMUT. Aby zapewnić zarówno realizm, jak i powtarzalność, jako cele obrazowania wybrano mózgi bydlęce (uzyskane w standardowym łańcuchu dostaw żywności) utrwalone w formalinie. Procedura utrwalania gwarantuje długotrwałe zachowanie cech tkanek przy zachowaniu zadowalających właściwości morfologicznych i widoczności zarówno w obrazowaniu USG, jak i MR16,17.

Opisany tutaj protokół oceny jakości obrazów w USA również implementuje funkcję zapożyczoną z technik neuronawigacji stosowanych w neurochirurgii15. W takich podejściach sondy amerykańskie są połączone z systemem śledzenia ruchu, który dostarcza dane o położeniu przestrzennym i orientacji w czasie rzeczywistym. W ten sposób obrazy USG uzyskane podczas operacji chirurgicznych mogą być automatycznie rejestrowane i wizualizowane, w celu uzyskania wskazówek, w superpozycji do przedoperacyjnych obrazów MR mózgu pacjenta. Dla celów przedstawionego protokołu superpozycja z obrazami MR (które są uważane za złoty standard w obrazowaniu mózgu) ma ogromną wartość, ponieważ pozwala ekspertom wizualnie ocenić, które cechy morfologiczne i tkankowe są rozpoznawalne na obrazach amerykańskich i odwrotnie, rozpoznać obecność artefaktów obrazowania.

Możliwość porównania obrazów uzyskanych za pomocą różnych sond amerykańskich staje się jeszcze bardziej interesująca. Przedstawiony protokół eksperymentalny obejmuje możliwość zdefiniowania zestawu przestrzennych pozycji odniesienia dla akwizycji amerykańskich, skoncentrowanych na najbardziej bogatych w cechy regionach objętościowych zidentyfikowanych we wstępnej oględzinach obrazów MR. Zintegrowane narzędzie wizualne, opracowane dla systemu oprogramowania open source Paraview18, dostarcza operatorom wskazówek dotyczących dopasowywania takich predefiniowanych póz podczas faz pozyskiwania obrazów w USA. W przypadku procedur kalibracji wymaganych przez protokół zasadnicze znaczenie ma wyposażenie wszystkich próbek docelowych – zarówno biologicznych, jak i syntetycznych – w predefiniowane punkty orientacyjne, które zapewniają jednoznaczne odniesienia przestrzenne. Takie punkty orientacyjne muszą być widoczne zarówno na zdjęciach amerykańskich, jak i MR oraz fizycznie dostępne dla pomiarów wykonanych za pomocą systemu śledzenia ruchu. Wybranymi elementami przełomowymi do eksperymentu są małe kule ze szkła krzemiennego, których widoczność zarówno na obrazach USG, jak i MR została zademonstrowana w literaturze19 i potwierdzona wstępnymi skanami USG i MR wykonanymi przed przedstawionymi eksperymentami.

Prezentowany protokół opiera się na Ultrasound Advanced Open Platform (ULA-OP)20, kompletnym i otwartym systemie badawczo-rozwojowym do pozyskiwania obrazów w USA, który oferuje znacznie szersze możliwości eksperymentalne niż komercyjnie dostępne skanery i służy jako wspólna podstawa do oceny różnych amerykańskich sond.

Po pierwsze, opisano instrumenty użyte w tej pracy, ze szczególnym uwzględnieniem nowo zaprojektowanej sondy CMUT. Protokół eksperymentalny jest szczegółowo przedstawiony, z dokładnym opisem wszystkich procedur, od wstępnego projektu, przez kalibrację systemu, po akwizycję obrazu i przetwarzanie końcowe. Na koniec prezentowane są uzyskane obrazy i omawiane są ich wyniki, wraz ze wskazówkami dotyczącymi przyszłych postępów w tej pracy.

Oprzyrządowanie

prototyp sondy CMUT

Eksperymenty zostały przeprowadzone przy użyciu nowo opracowanego prototypu 256-elementowej matrycy liniowej CMUT, zaprojektowanego, wyprodukowanego i spakowanego w Laboratorium Akustoelektroniki (ACULAB) Uniwersytetu Roma Tre (Rzym, Włochy), przy użyciu Procesu Odwrotnej Produkcji CMUT (RFP)4. RFP to technologia mikrowytwarzania i pakowania, opracowana specjalnie do produkcji przetworników MEMS do zastosowań obrazowania w USA, w której mikrostruktura CMUT jest wytwarzana na krzemie zgodnie z podejściem "do góry nogami"21. W porównaniu z innymi technologiami wytwarzania CMUT, RFP zapewnia lepszą wydajność obrazowania dzięki wysokiej jednorodności geometrii komórek CMUT w całej matrycy oraz zastosowaniu materiałów akustycznie zaprojektowanych w pakiecie głowicy sondy. Ważną cechą zapytania ofertowego jest to, że elektryczne podkładki połączeniowe znajdują się w tylnej części matrycy CMUT, co ułatwia integrację 3D matryc 2D i wielokanałowej elektroniki front-end.

256-elementowa matryca CMUT została zaprojektowana do pracy w paśmie częstotliwości wyśrodkowanym na 7,5 MHz. Dla matrycy wybrano podziałkę elementów 200 μm, co dało maksymalną szerokość pola widzenia wynoszącą 51,2 mm. Wysokość pojedynczych elementów matrycy CMUT została zdefiniowana w celu osiągnięcia odpowiednich osiągów pod względem rozdzielczości poprzecznej i zdolności penetracji. Wysokość elementu matrycy 5 mm została wybrana w celu uzyskania szerokości wiązki -3 dB 0,1 mm i głębokości ostrości -3 dB 1,8 mm przy 7,5 MHz, przy ustaleniu ostrości elewacji na głębokości 18 mm za pomocą soczewki akustycznej. Elementy matrycy o szerokości 195 μm uzyskano poprzez ułożenie i elektryczne połączenie równolegle 344 okrągłych komórek CMUT, zgodnie z układem sześciokątnym. W związku z tym uzyskana odległość między pierwiastkami wynosząca 5 μm, tj. szczelina, odpowiada separacji między membranami. Schematyczne przedstawienie struktury tablicy CMUT znajduje się w Rysunek 1.

figure-introduction-1
Rysunek 1: Struktura macierzy CMUT. Schematyczne przedstawienie struktury macierzy CMUT: elementy tablicy złożone z kilku komórek połączonych równolegle (a), układ mikrostruktury CMUT (b); przekrój poprzeczny komórki CMUT (c). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Parametry mikrofabrykacji CMUT, tj. wymiary boczne i pionowe płytki i elektrod, zostały zdefiniowane za pomocą symulacji modelowania metodą elementów skończonych (MES) w celu osiągnięcia operacji zanurzenia szerokopasmowego, charakteryzującej się pasmem przenoszenia wyśrodkowanym na poziomie 7,5 MHz i dwukierunkowym pasmem ułamkowym 100% -6 dB. Wysokość wnęki, tj. przerwy, została zdefiniowana w taki sposób, aby osiągnąć napięcie zapadania się 260 V, aby zmaksymalizować czułość dwukierunkową, poprzez polaryzację CMUT na poziomie 70% napięcia zapadania się4, biorąc pod uwagę maksymalne napięcie sygnału wzbudzenia 80 V. Tabela 1 podsumowuje główne parametry geometryczne mikrofabrykowanego CMUT.

Parametry projektu tablicy CMUT
parametrwartość
tablica
Ilość elementówRozdział 256
Skok elementu200 μm
Długość elementu (rzędna)5 mm
Poprawiono ostrość elewacjiGrubość 15 mm
Mikrostruktura CMUT
Średnica ogniwa50 μm
Średnica elektrody34 μm
Odległość boczna między komórkami7,5 μm
Grubość blachy2,5 μm
Wysokość szczeliny0,25 μm

Tabela 1. Parametry sondy CMUT. Parametry geometryczne sondy liniowej CMUT i mikrostruktury komórki CMUT.

Proces pakowania używany do integracji tablicy CMUT w głowicy sondy jest opisany w reference4. Soczewka akustyczna została wyprodukowana przy użyciu wulkanizowanej w temperaturze pokojowej (RTV) gumy silikonowej domieszkowanej nanoproszkami tlenku metalu, aby dopasować impedancję akustyczną wody i uniknąć fałszywych odbić na interfejsie22. Otrzymany związek charakteryzował się gęstością 1280 kg/m3 i prędkością dźwięku 1100 m/s. Dla soczewki cylindrycznej wybrano promień krzywizny 7 mm, co doprowadziło do geometrycznego ogniskowania 18 mm i maksymalnej grubości około 0,5 mm nad powierzchnią przetwornika. Zdjęcie głowicy sondy CMUT pokazano w Rysunek 2(a).

figure-introduction-2
Rysunek 2: Sonda CMUT. Głowica opracowanej sondy CMUT wraz z liniowym układem przetworników i soczewką akustyczną (a) oraz pełną sondą CMUT ze złączem (b). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Głowica sondy CMUT została połączona z uchwytem sondy, zawierającym wielokanałowy odbiór analogowej elektroniki front-end i wielobiegunowy do połączenia ze skanerem amerykańskim. Jednokanałowy obwód elektroniczny to wzmacniacz napięcia o wysokiej impedancji wejściowej i wzmocnieniu 9 dB, który dostarcza prąd elektryczny niezbędny do sterowania impedancją. Wielokanałowa elektronika, opisana w odnośniku 4, opiera się na topologii obwodu obejmującej odbiornik o bardzo niskim poborze mocy i niskim poziomie szumów oraz zintegrowany przełącznik do dupleksowania sygnału nadawczego/odbiorczego. Zasilacz elektroniki front-end i napięcie polaryzacji CMUT są generowane przez niestandardowy zasilacz i podawane do sondy za pomocą wielobiegunowego. Kompletna sonda jest pokazana w Rysunek 2(b).

Amerykańskie sondy piezoelektryczne

Dla jakościowego porównania obrazów uzyskanych za pomocą powyższej sondy CMUT, do eksperymentów włączono dwie komercyjnie dostępne piezoelektryczne sondy US. Pierwsza z nich to sonda liniowa ze 192 elementami przetwornikowymi, rastrem 245 μm i 110% ułamkowym pasmem wyśrodkowanym na częstotliwości 8 MHz. Sonda ta została wykorzystana do pozyskiwania obrazów 2D w trybie B. Druga sonda to sonda do obrazowania 3D z mechanicznie przesuwanym układem liniowym 180 elementów transdukcyjnych, o rastrze 245 μm i 100% frakcyjnej szerokości pasma wyśrodkowanej na 8,5 MHz. Silnik krokowy umieszczony wewnątrz obudowy sondy umożliwia zamiatanie matrycy liniowej w celu uzyskania wielu płaszczyzn, które mogą być wykorzystane do zrekonstruowania obrazu 3D zeskanowanej objętości23.

System ULA-OP

Akwizycja obrazów amerykańskich została przeprowadzona za pomocą systemu ULA-OP20, który jest kompletnym i otwartym amerykańskim systemem badawczo-rozwojowym, zaprojektowanym i zrealizowanym w Laboratorium Projektowania Systemów Mikroelektronicznych Uniwersytetu we Florencji, Włochy. System ULA-OP może sterować, zarówno w zakresie nadawania (TX), jak i odbioru (RX), do 64 niezależnych kanałów połączonych poprzez matrycę przełączającą z sondą amerykańską z maksymalnie 192 przetwornikami piezoelektrycznymi lub CMUT. Architektura systemu składa się z dwóch głównych płytek przetwarzających, karty analogowej (AB) i karty cyfrowej (DB), obie umieszczone w szafie rack, które są uzupełnione płytką zasilacza i płytką tylnej płyty, która zawiera złącze sondy i wszystkie wewnętrzne komponenty routingu. AB zawiera interfejs przetworników sondy, w szczególności komponenty elektroniczne do analogowego kondycjonowania 64 kanałów oraz programowalną matrycę przełączników, która dynamicznie odwzorowuje kanały TX-RX na przetworniki. Baza danych jest odpowiedzialna za kształtowanie wiązki w czasie rzeczywistym, syntezę sygnałów TX i przetwarzanie echa RX w celu uzyskania pożądanych danych wyjściowych (na przykład obrazów w trybie B lub sonogramów dopplerowskich). Warto podkreślić, że układ ULA-OP jest w pełni konfigurowalny, stąd sygnał w TX może być dowolnym przebiegiem w paśmie systemu (np. impulsy trzypoziomowe, sinusoidy, ćwierkanie, kody Huffmana itp.) o maksymalnej amplitudzie 180 Vpp; Ponadto strategię kształtowania wiązki można zaprogramować zgodnie z najnowszymi wzorcami ogniskowania (np. fala skupiona, transmisja wieloliniowa, fala płaska, fale rozbieżne, ograniczone wiązki dyfrakcyjne itp.)24,25. Na poziomie sprzętowym zadania te są dzielone między pięć programowalnych układów bramek (FPGA) i jeden cyfrowy procesor sygnałowy (DSP). W przypadku mechanicznie zamiatanych sond do obrazowania 3D, takich jak ta opisana powyżej, system ULA-OP steruje również silnikiem krokowym wewnątrz sondy, w celu zsynchronizowanej akwizycji poszczególnych ramek 2D w każdej pozycji układu przetworników.

System ULA-OP może być ponownie skonfigurowany w czasie wykonywania i dostosowany do różnych sond amerykańskich. Komunikuje się poprzez kanał USB 2.0 z komputerem hosta, wyposażonym w specjalne narzędzie programowe. Ten ostatni ma konfigurowalny interfejs graficzny, który zapewnia wizualizację obrazów US w czasie rzeczywistym, zrekonstruowanych w różnych trybach; Na przykład w przypadku sond wolumetrycznych w czasie rzeczywistym można wyświetlić dwa obrazy w trybie B prostopadłych płaszczyzn w skanowanej objętości.

Główną zaletą systemu ULA-OP dla celów opisanego protokołu jest to, że umożliwia łatwe dostrojenie parametrów TX-RX i oferuje pełny dostęp do danych sygnałowych zbieranych na każdym etapie łańcucha przetwarzania26, umożliwiając również testowanie nowych metod obrazowania i technik kształtowania wiązki27, 28,29,30,31,32,33.

System śledzenia ruchu

Aby zarejestrować pozycję sondy amerykańskiej podczas akwizycji obrazu, zastosowano optyczny system śledzenia ruchu34. System opiera się na jednostce czujnika, która emituje światło podczerwone za pośrednictwem dwóch oświetlaczy (diod elektroluminescencyjnych (LED)) i wykorzystuje dwa odbiorniki (tj. soczewkę i urządzenie sprzężone z ładunkiem (CCD)) do wykrywania światła odbitego przez wiele specyficznych dla danego celu znaczników pasywnych ułożonych w predefiniowane sztywne kształty. Informacje o odbitym świetle są następnie przetwarzane przez wbudowany procesor w celu obliczenia danych dotyczących zarówno położenia, jak i orientacji, które można przesłać do komputera hosta podłączonego przez USB 2.0. To samo łącze może być używane do sterowania konfiguracją modułu czujnika.

Czujnik jest dostarczany razem z zestawem narzędzi, z których każde wyposażone jest w cztery odblaskowe znaczniki ułożone w sztywną konfigurację geometryczną. System śledzenia ruchu może śledzić do sześciu różnych sztywnych narzędzi jednocześnie, z częstotliwością roboczą około 20 Hz. Do tych eksperymentów użyto dwóch takich narzędzi: wskaźnika, który pozwala na uzyskanie pozycji 3D dotykanej przez jego końcówkę, oraz narzędzia wyposażonego w zacisk, które można przymocować do testowanej sondy US (patrz Rysunek 14).

Po stronie oprogramowania, tracker ruchu posiada niskopoziomowy szeregowy interfejs programowania aplikacji (API) zarówno do sterowania urządzeniem, jak i akwizycji danych, do którego można uzyskać dostęp przez USB. Domyślnie pozycja i orientacja są zwracane jako elementy z wieloma wprowadzeniami, tj. po jednym wpisie na każde śledzone narzędzie. Każdy wpis zawiera pozycję 3D (x, y, z) wyrażoną w mm oraz orientację (q0, qx, qy, qz) wyrażoną jako kwaternion. System jest również wyposażony w zestaw narzędzi programowych wyższego poziomu, który obejmuje graficzne narzędzie do śledzenia do wizualizacji i pomiaru w czasie rzeczywistym pozycji/orientacji wielu narzędzi w polu widzenia modułu czujnika.

Przegląd systemu, integracja i komponenty oprogramowania

Diagram w Rysunek 3 podsumowuje instrumentację przyjętą dla protokołu, opisując również strumień danych, który przepływa przez systemy.

figure-introduction-3
Rysunek 3: Schemat blokowy całej konfiguracji sprzętu i integracji systemu. Sonda amerykańska jest podłączona do systemu ULA-OP, który komunikuje się przez USB z notebookiem w celu akwizycji obrazu w USA. W tym samym czasie notebook jest również podłączony przez USB do systemu śledzenia ruchu, w celu gromadzenia danych o położeniu, oraz przez Ethernet do stacji roboczej, w celu przetwarzania danych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Oprócz sond amerykańskich, śledzenia ruchu i systemu ULA-OP, które zostały opisane powyżej, konfiguracja obejmuje również dwa komputery, a mianowicie notebook i stację roboczą. Pierwszy z nich jest głównym front-endem dla oprzyrządowania, odbierającym i synchronizującym dwa główne strumienie danych przychodzących: obrazy amerykańskie pochodzące z systemu ULA-OP i dane pozycjonowania 3D z trackera ruchu. Zapewnia również operatorowi wizualną informację zwrotną dotyczącą pozyskiwanych obrazów. Stacja robocza ma znacznie większą moc obliczeniową i pojemność pamięci masowej. Zapewnia obsługę zaplecza do przetwarzania końcowego obrazów i repozytorium dla połączonych zestawów danych obrazowania. Stacja robocza służy również do wizualizacji obrazów US i MR, w tym z możliwością jednoczesnej wizualizacji 3D zarejestrowanych obrazów multimodalnych.

Krytycznym wymogiem dla eksperymentów z akwizycją obrazów jest synchronizacja dwóch głównych strumieni danych. Systemy śledzenia ruchu i ULA-OP są niezależnymi instrumentami, które nie obsługują jeszcze jawnej synchronizacji działań. Z tego powodu dane obrazu z USA i informacje o pozycji muszą być odpowiednio połączone, aby wykryć prawidłową pozycję 3D sondy amerykańskiej w momencie uzyskania każdego wycinka obrazu. W tym celu opracowano specjalną aplikację logującą do rejestrowania i oznaczania czasem w czasie rzeczywistym danych dostarczanych przez system śledzenia ruchu, poprzez modyfikację komponentu oprogramowania C++, który w tym przypadku jest zawarty w samym urządzeniu śledzącym ruch. Zazwyczaj systemy śledzenia ruchu są wyposażone w niskopoziomowy interfejs API, który umożliwia przechwytywanie danych w czasie rzeczywistym i transkrypcję ich do pliku.

Przyjęta metoda synchronizacji działa w następujący sposób. Każdy wpis w pliku utworzonym przez aplikację rejestrującą jest uzupełniany o znacznik czasu w formacie "yyyy-MM-ddThh:mm:ss.kkk", gdzie: y=rok, M=miesiąc, d=dzień, h=godzina, m=minuta, s=sekunda, k=milisekunda. Oprogramowanie oparte na komputerach ULA-OP (języki programowania C++ i MATLAB) oblicza czas rozpoczęcia i zakończenia każdej sekwencji akwizycji obrazu i przechowuje te informacje w każdym obrazie w formacie .vtk. Aby zapewnić wspólne odniesienie czasowe podczas eksperymentów, obie powyższe procedury oprogramowania są wykonywane na komputerze front-end w Rysunek 3. Utworzone w ten sposób znaczniki czasu są następnie wykorzystywane przez procedury oprogramowania do przetwarzania końcowego, które tworzą końcowy zestaw danych (patrz Protokół, sekcja 8).

Inny specyficzny komponent oprogramowania został zrealizowany i uruchomiony na stacji roboczej, aby dostarczyć operatorowi informacje zwrotne w czasie rzeczywistym, odnosząc aktualną pozycję sondy amerykańskiej do obrazów MR, a w szczególności do zestawu predefiniowanych póz. Procedura oprogramowania po stronie serwera w Pythonie przetwarza plik dziennika śledzenia ruchu, przekształca bieżącą pozycję sondy amerykańskiej na kształt geometryczny i wysyła dane do serwera Paraview. Klient Paraview łączy się z tym samym serwerem Paraview i w czasie rzeczywistym wyświetla pozycję kształtu geometrycznego, nałożonego na obraz MR oraz do dalszych kształtów geometrycznych opisujących predefiniowane pozy. Przykład wynikowej wizualizacji w czasie rzeczywistym jest pokazany w Rysunek 17.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wszystkie próbki biologiczne pokazane w tym filmie zostały pozyskane za pośrednictwem standardowego łańcucha dostaw żywności. Okazy te zostały poddane obróbce zgodnie z przepisami etycznymi i bezpieczeństwa zaangażowanych instytucji.

UWAGA: Diagram w Rysunek 4 podsumowuje 8 głównych etapów tego protokołu. Etapy od 1 do 4 obejmują czynności wstępne, które należy przeprowadzić tylko raz przed rozpoczęciem etapów pozyskiwania i przetwarzania obrazów w USA. Te początkowe etapy są następujące: 1. wstępny projekt zestawu doświadczalnego i fantomu agaru (do wykorzystania w procedurach kalibracji); 2) przygotowanie ex vivo móżdżka bydlęcego; 3. pozyskiwanie obrazów MR mózgu; 4. Definicja jakościowych póz, które mają być wykorzystane jako cel do pozyskiwania obrazów w USA. Etapy od 5 do 8 dotyczą pozyskiwania i przetwarzania obrazów amerykańskich. Etapy te to: 5. konfiguracja eksperymentalna, w której wszystkie instrumenty są połączone i zintegrowane, a wszystkie cele są pozycjonowane i weryfikowane; 6. kalibracja sondy amerykańskiej wyposażonej w pasywne znaczniki do nawigacji; 7. akwizycja amerykańskich zdjęć mózgu bydła zanurzonego w wodzie, zarówno w predefiniowanych pozach, jak i w "trybie odręcznym"; 8. Przetwarzanie końcowe i wizualizacja połączonego zestawu danych obrazów MR/US. Podczas gdy etap 5 można wykonać tylko raz, na początku działań eksperymentalnych etapy 6 i 7 muszą być powtórzone dla każdej zaangażowanej sondy amerykańskiej. Krok 8 można wykonać tylko raz na całym połączonym zbiorze danych, po zakończeniu wszystkich przejęć.

figure-protocol-1
Rysunek 4: Przebieg pracy z protokołem eksperymentalnym. Schemat blokowy ilustruje główne kroki protokołu, w tym listę głównych operacji w każdym kroku. Kroki 1-5 obejmują wstępne działania i przygotowanie do przejęć w USA; Stąd mają one być przeprowadzone tylko raz. Etapy 6 i 7 obejmują przejęcia w USA i muszą być powtarzane dla każdej sondy. Krok 8, czyli obróbkę końcową obrazu, można wykonać tylko raz na końcu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

1. Projekt wstępny

  1. Projektowanie i walidacja pozycjonowania punktów orientacyjnych
    UWAGA: Poniższa procedura określa spójną strategię pozycjonowania punktów orientacyjnych, która ma być stosowana do kalibracji systemu śledzenia ruchu opisanego w rozdziale 6.
    1. Przygotuj manekina z polistyrenową głową, wycinając kształt w przybliżeniu podobny do kształtu mózgu bydlęcego (wysokość = 180 mm, szerokość = 144 mm, długość = 84 mm) za pomocą noża.
    2. Włóż 6 wzorów 3 kulek ze szkła krzemiennego (o średnicy 3 mm) do polistyrenowego mózgu, ułożonych na wierzchołkach trójkąta równobocznego o boku około 15 mm i nie dalej niż 1 mm od powierzchni zewnętrznej (patrz Rysunek 5).
    3. Podłącz system śledzenia ruchu do notebooka przez USB. Otwórz narzędzie do śledzenia, rozpocznij śledzenie ruchu i sprawdź, czy po dotknięciu szklanych kulek w polistyrenowym mózgu, wskaźnik pozostaje w polu śledzenia view, aby sprawdzić widoczność i efektywną dostępność podczas eksperymentów.

figure-protocol-2
Rysunek 5: Polistyrenowy model mózgu wykorzystany na etapie wstępnego projektowania. Polistyrenowa głowa manekina, odpowiednio przycięta, aby naśladować wymiary mózgu bydlęcego, została użyta do wyboru położenia wzorów szklanych kul w mózgu. W model styropianowy wszczepiono sześć trójkątnych wzorów kul o średnicy 3 mm, jak pokazano na rysunku, tj. trzy wzory po prawej i trzy po lewej półkuli mózgu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Preparat fantomowy agaru
    UWAGA: Etapy te pozwalają na przygotowanie wyprodukowanego w laboratorium fantomu agaru do wykorzystania w procedurach kalibracji (sekcja 6.1).
    1. W zlewce rozcieńczyć 100 g gliceryny i 30 g agaru w 870 g wody destylowanej. Mieszać mieszaninę, zwiększając jej temperaturę do 90 °C, przez 10-15 minut. Wlej mieszaninę, aby napełnić pojemnik na żywność o wymiarach 13x10x10 cm i przechowuj go w lodówce przez co najmniej jeden dzień.
    2. Wyjmij fantom agaru z lodówki. Pokoloruj 6 szklanych kulek żółtą emalią (dla lepszej widoczności) i włóż 2 wzory po 3 szklane kulki każdy do fantomu agaru (tj. po jednej na główną stronę bloku), nie dalej niż 1 mm od powierzchni (Rysunek 6).
    3. W celu konserwacji, gdy nie jest używany, zanurz fantom agaru w roztworze wody i chlorku benzalkoniowego, używając szczelnie zamkniętego plastikowego pojemnika na żywność i przechowuj go w lodówce.

figure-protocol-3
Rysunek 6: Fantom agaru. Rysunek przedstawia fantom agaru, w którym wyraźnie widoczny jest wszczepiony wzór trzech pomalowanych na żółto szklanych kulek (oznaczonych czarnymi strzałkami) w dolnej krawędzi. Końcówka wskaźnika, używana do pomiaru pozycji kuli podczas fazy kalibracji, jest również pokazana w pobliżu fantomu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Przygotowanie i utrwalenie mózgu bydlęcego

  1. Pozyskaj móżdżek bydlęcy ex vivo ze standardowego łańcucha dostaw żywności. Transportuj go na lodzie (w celu konserwacji). Zazwyczaj, tak jak w tym przypadku, mózg ex vivo jest udostępniany po usunięciu go ze zwierzęcia.
  2. Wyjmij mózg z lodu i umieść go w kapturze do zasysania. Trzymaj go w kapturze na kolejne kroki przygotowawcze. Odizoluj półkule mózgowe, oddzielając móżdżek, śródmózgowie, most i pień mózgu za pomocą ostrza chirurgicznego, przecinając struktury na brzusznej powierzchni mózgu.
  3. Używając polistyrenowego manekina jako odniesienia do pozycjonowania, wszczep 6 trójkątnych wzorów po 3 kule każdy w korze płatów czołowych, skroniowych i potylicznych. Upewnij się, że spełnione są predefiniowane warunki (tj. odległości od powierzchni i między kulami). Dla widoczności, zaznacz pozycje wszystkich kulek na powierzchni mózgu zielonym barwnikiem do oznaczania tkanki do histologii (Rysunek 7).
  4. Zanurz mózg w 10% buforowanym roztworze formaliny. Użyj plastikowego pojemnika na części anatomiczne (Rysunek 8). Pozostaw mózg w pojemniku z formaliną na co najmniej 3 tygodnie, aż proces utrwalania zostanie zakończony.
    UWAGA: formalina jest toksyczną substancją chemiczną i należy obchodzić się z nią ostrożnie; Mogą również obowiązywać szczególne przepisy, na przykład amerykańska norma OSHA 1910.1048 App. A.

figure-protocol-4
Rysunek 7: Przygotowanie mózgu bydlęcego i wszczepienie szklanych kulek. Mózg bydlęcy jest przygotowywany przez biegłego patologa poprzez usunięcie nadmiaru części anatomicznych, a następnie wszczepienie wzorów szklanych kul, zgodnie z wcześniej zaprojektowaną konfiguracją (a). Pozycje kuli są następnie oznaczane zielonym barwnikiem na powierzchni mózgu (b). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-5
Rysunek 8: Utrwalenie mózgu bydlęcego w formalinie. Mózg bydlęcy z wszczepionymi szklanymi kulkami zanurza się w 10% buforowanym roztworze formaliny w plastikowym pojemniku na części anatomiczne (a). Po okresie co najmniej 3 tygodni proces fiksacji jest zakończony (b) i mózg może być wykorzystany do akwizycji obrazu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Akwizycja obrazu MR

  1. Wyjmij mózg z roztworu formaliny, umyj go w wodzie przez noc, umieść w czystym plastikowym pojemniku i zamknij.
  2. Włóż pojemnik do cewki głowicy MR i umieść go w skanerze MR.
  3. Wykonaj skany MR za pomocą skanera MR 3 T wyposażonego w 32-kanałową cewkę głowicy (Rysunek 9). Uzyskaj trzy zestawy obrazów za pomocą sekwencji T1, T2 i CISS o rozdzielczości 0,7x07x1 mm3 i 0,5x0,5x1 mm3 odpowiednio dla sekwencji T1/T2 i CISS. Zapisz obrazy MR w formacie DICOM za pomocą narzędzi programowych skanera MR.
  4. Po użyciu zanurz mózg w 10% buforowanej formalinie. Przenieś pozyskane obrazy MR ze skanera MR do stacji roboczej przetwarzania.

figure-protocol-6
Rysunek 9: Akwizycja obrazu MR. Mózg bydlęcy, zamknięty w czystym plastikowym pojemniku, jest umieszczany w skanerze MR 3 T w celu uzyskania obrazu MR. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

4. Definicja jakościowych póz do pozyskiwania obrazów w USA

UWAGA: Ta procedura definiuje zestaw jakościowych póz w odniesieniu do obrazów MR, w których widoczność obszarów mózgu, które zawierają wyraźnie rozpoznawalne struktury anatomiczne i dobrze zróżnicowane tkanki (szczególnie białą i szarą istotę) jest maksymalizowana na obrazach amerykańskich.

  1. Otwórz obrazy MR w formacie DICOM za pomocą narzędzia programowego Paraview (zwanego dalej oprogramowaniem do wizualizacji). Poproś eksperta, aby zwizualizował obrazy zarówno jako plasterki, jak i objętość 3D, zgodnie z wymaganiami.
  2. Sprawdź każdy obraz MR w zestawie danych, aby ocenić widoczność struktur anatomicznych i tkanek (np. komór bocznych, ciała modzelowatego, istoty szarej zwojów podstawy).
  3. Z referencyjnego obrazu MR należy wybrać podregiony przestrzenne 3D zawierające najlepiej rozpoznawalne cechy wizualne i w przybliżeniu zdefiniować płaszczyzny cięcia o maksymalnej widoczności. Zidentyfikuj 12 predefiniowanych póz do pozyskiwania obrazów w USA, z których każda obejmuje znaczący zestaw cech wizualnych.
  4. Dla każdej wirtualnej pozy użyj opcji "Źródła > stożek", aby utworzyć stożek 3D jako wizualny punkt orientacyjny. Dostosuj wysokość każdego stożka do 40 mm i promień do 2 mm i ręcznie ustaw stożek w polu widzenia 3D (Rysunek 10). Zapisz kompleks obrazów MR, regionów 3D, płaszczyzn i punktów orientacyjnych jako plik stanu Paraview.

figure-protocol-7
Rysunek 10: Predefiniowane pozy do pozyskiwania obrazów z USA. Znaczniki w (a) pokazują pozycje 12 wybranych póz w ramce obrazu 3D MR, które mają być osiągnięte przez operatora w celu akwizycji obrazu w USA. W lit. b) pokazane są płaszczyzny MR odpowiadające wybranym pozom; czerwony znacznik reprezentuje pozycję sondy amerykańskiej (reprezentowaną w przestrzeni obrazu MR) poruszającą się w czasie rzeczywistym, aż do osiągnięcia jednego z białych znaczników i uzyskania przez system żądanego obrazu US. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

5. Konfiguracja eksperymentalna

  1. Środowisko i cele
    UWAGA: W tym kroku opisano przygotowanie konfiguracji i instrumentów do eksperymentów z akwizycją w USA.
    1. Umieść plastikowy zbiornik o wymiarach 50x50x30 cm na stole i napełnij go odgazowaną wodą do wysokości 15 cm. Ustaw system śledzenia ruchu tak, aby zbiornik na wodę był widoczny z góry i całkowicie w jego polu widzenia (Rysunek 11) i podłącz czujnik ruchu do notebooka przez USB.
    2. Wykonaj procedurę obracania, aby skalibrować wskaźnik za pomocą narzędzia do śledzenia systemu śledzenia ruchu34.
    3. Umieść system ULA-OP na stole i podłącz go do notebooka przez USB, upewniając się, że ekran komputera jest dobrze widoczny dla operatora sondy amerykańskiej. Ustaw stację roboczą na stole i upewnij się, że jej ekran jest dobrze widoczny dla operatora.
    4. Wyjmij mózg z roztworu formaliny i umyj go w wodzie. Unieruchamić go na płycie z żywicy syntetycznej, używając segmentów nici do szycia i pasków samoprzylepnych (Rysunek 12).
    5. Zanurz płytkę z mózgiem w zbiorniku i sprawdź, czy cała przestrzeń robocza wokół mózgu mieści się w polu widzenia urządzenia śledzącego ruch, używając wskaźnika i narzędzia do śledzenia oprogramowania.

figure-protocol-8
Rysunek 11: Konfiguracja eksperymentalnych akwizycji za pomocą systemu śledzenia ruchu. Czujnik śledzenia ruchu umieszcza się nad zbiornikiem na wodę, w którym zanurzony jest mózg bydlęcy, tak aby cel i sonda z zaciśniętymi znacznikami odbijającymi całkowicie mieściły się w jego polu widzenia pomiarowego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-9
Rysunek 12: Umiejscowienie mózgu bydlęcego w zbiorniku na wodę. Mózg bydlęcy jest unieruchamiany na płycie z żywicy syntetycznej za pomocą dwóch nici do szycia (umieszczonych wzdłuż podłużnej szczeliny) i mocowany na płytce za pomocą pasków klejących. Płytkę i mózg bydlęcy zanurza się następnie w zbiorniku na wodę. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Podłączanie sondy US i konfigurowanie ULA-OP do wykonywania skanowania.
    1. Podłącz sondę amerykańską do systemu ULA-OP.
    2. Skonfiguruj system ULA-OP za pomocą plików konfiguracyjnych i interfejsu oprogramowania z komputera (Rysunek 13).
      1. Zdefiniuj tryb dupleksu składający się z dwóch trybów B z przeplotem wykorzystujących dwie różne częstotliwości robocze (7 MHz i 9 MHz). Ustaw 1-cyklową serię bipolarną dla każdego trybu. Ustaw ostrość transmisji na głębokość 25 mm i dynamiczne ustawianie ostrości w odbiorze za pomocą funkcji apodyzacji F#=2.
      2. Skonfiguruj system do rejestrowania danych kształtowanych wiązką oraz demodulowanych w fazie i kwadraturze (I/Q).
    3. Wykonaj kilka testów akwizycji, aby zapewnić pełną funkcjonalność.
      1. Zamroź system, klikając przycisk przełączania "Zablokuj" w oprogramowaniu ULA-OP. Włącz tryb automatycznego zapisywania, klikając przycisk przełączania, który pojawia się jako trzy dyskietki. W wyskakującym okienku, które pojawia się na końcu przejęcia, wpisz nazwę pliku i kliknij "Zapisz".

figure-protocol-10
Rysunek 13: Eksperymentalna konfiguracja do pozyskiwania obrazów z USA. System ULA-OP jest podłączony do notebooka umieszczonego w pobliżu zbiornika na wodę, dzięki czemu jego wyświetlacz jest dobrze widoczny dla amerykańskiego operatora sondy podczas akwizycji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Mocowanie pasywnych znaczników odblaskowych na sondzie US <br /> UWAGA: Zgodnie z tą procedurą tworzony jest solidny zespół sondy amerykańskiej i pasywnych znaczników odblaskowych do późniejszego pozyskiwania danych o obrazie i pozycji.
    1. Znajdź odpowiednią pozycję dla zacisku na uchwycie sondy amerykańskiej. Zacisnąć pasywne znaczniki odblaskowe na uchwycie sondy amerykańskiej (Rysunek 14).
    2. Wykonaj kilka testów akwizycji (patrz krok 5.2.3), aby upewnić się, że zacisk jest stabilny, znaczniki są wyraźnie widoczne dla systemu śledzenia ruchu, podczas gdy sonda amerykańska jest trzymana w oczekiwanej pozycji roboczej.

figure-protocol-11
Rysunek 14: Pasywne narzędzie z odblaskowymi znacznikami zaciśniętymi na sondzie piezoelektrycznej do obrazowania 3D. Narzędzie z markerami jest odpowiednio zaciśnięte i zamocowane na uchwycie sondy piezoelektrycznej do obrazowania 3D, dzięki czemu tworzą one zjednoczony zespół, który może być używany do jednoczesnego pozyskiwania danych o obrazie i pozycji w USA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

6. Kalibracja

UWAGA: Ta sekcja opisuje eksperymentalną część protokołu, która zbiera informacje do obliczenia wymaganych transformacji między różnymi przestrzennymi układami odniesienia. Szczegółowe informacje matematyczne dotyczące metody obliczeniowej znajdują się w sekcji 9. Procedury oprogramowania w języku programowania MATLAB do kalibracji są dostępne jako open source w https://bitbucket.org/unipv/denecor-transformations.

  1. Od amerykańskiej ramki obrazu do pasywnej ramki narzędzia zaciśniętej na sondzie amerykańskiej
    UWAGA: Poniższa procedura kalibracji służy do obliczenia sztywnej transformacji, która pozwala na przypisanie pozycji przestrzennych do wokseli obrazu amerykańskiego w lokalnym układzie odniesienia narzędzia pasywnego zaciśniętego na sondzie. Należy go powtórzyć przy każdym montażu narzędzia pasywnego na sondzie amerykańskiej.
    1. Umieść fantom agaru w pełnym zanurzeniu w zbiorniku na wodę. Uruchom aplikację rejestrującą, która rejestruje dane o położeniu i zbiera pozycje każdej z 6 szklanych kulek w fantomie agaru za pomocą narzędzia wskaźnikowego, jednocześnie śledząc jego ruch.
    2. Uzyskaj jeden obraz amerykański dla każdego wzoru 3 kulek w fantomie agaru (Rysunek 15) (krok 5.2.3). Ustaw sondę US za pomocą ramienia mechanicznego, korzystając z funkcji wstępnej wizualizacji systemu ULA-OP, tak aby w polu widzenia znajdował się kompletny wzór trzech sfer. Uzyskaj i zapisz odpowiedni obraz z USA.
    3. Prześlij wszystkie obrazy US w formacie ULA-OP wraz z plikami dziennika śledzenia ruchu do stacji roboczej.
    4. Otwórz każdy obraz US w oprogramowaniu do wizualizacji, ręcznie zaznacz położenie 3 szklanych kul w każdej z nich i dokonaj transkrypcji pozycji 3D do pliku .csv.
    5. Oblicz sztywną transformację US-to-marker między dwoma układami odniesienia (zobacz dostarczony kod open source i sekcję 9).

figure-protocol-12
Rysunek 15: Akwizycja amerykańskich obrazów fantomu agaru do kalibracji. Operator przesuwa sondę amerykańską (sondę CMUT) nad fantomem agaru, aby uzyskać dwa obrazy amerykańskie zawierające dwa osadzone wzory sferyczne, wyświetlane w czasie rzeczywistym przez oprogramowanie ULA-OP na wyświetlaczu komputera. Pozyskane obrazy są następnie wykorzystywane do obliczenia transformacji z przestrzeni obrazu amerykańskiego do przestrzeni narzędzia pasywnego ze znacznikami zaciśniętymi na sondzie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Z przestrzeni śledzenia ruchu do przestrzeni obrazu MR
    UWAGA: Następujące operacje kalibracji służą do obliczenia sztywnej transformacji od układu odniesienia systemu śledzenia ruchu do układu odniesienia obrazu MR i muszą być powtórzone dla każdego umieszczenia mózgu w zakresie operacyjnym urządzenia śledzącego ruch. Ostatnie dwa kroki tej procedury należy powtórzyć dla każdego odrębnego obrazu MR.
    1. Umieść mózg w pełnym zanurzeniu w zbiorniku na wodę. Uruchom aplikację do rejestrowania i zbierz pozycje każdej z 18 szklanych kulek za pomocą narzędzia wskazującego (Rysunek 16). Prześlij pliki dziennika śledzenia ruchu na stację roboczą.
    2. Otwórz każdy obraz MR mózgu w oprogramowaniu do wizualizacji, ręcznie zaznacz położenie każdej z 18 szklanych kul i zapisz odpowiednie współrzędne 3D jako pliki .csv.
    3. Oblicz sztywną transformację motion trackera do MR między dwoma układami odniesienia (zobacz kod open source i sekcję 9).

figure-protocol-13
Rysunek 16: Pomiar pozycji szklanych kulek wszczepionych do mózgu bydlęcego w celu kalibracji. Końcówka wskaźnika służy do określenia, jedna po drugiej, pozycji 18 szklanych kulek wszczepionych w mózg bydlęcy zanurzony w wodzie. Pozycje te są używane do obliczania przejścia z przestrzeni systemu śledzenia ruchu do przestrzeni obrazu MR. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

7. Akwizycja ultrasonograficzna

UWAGA: Procedury programowe w Pythonie dla Paraview, do procedury wizualizacji w czasie rzeczywistym, są dostępne jako open-source na https://bitbucket.org/unipv/denecor-tracking.

  1. Akwizycja amerykańskich obrazów predefiniowanych póz
    1. Clamp markery na sondzie amerykańskiej i wykonaj procedurę kalibracji (sekcje 5.3 i 6.1). Ustawić mózg i przeprowadzić procedurę kalibracji (sekcje 5.1 i 6.2).
    2. Zbierz dwa parametry transformacji sztywnej (US-to-marker i motion tracker-to-MR) obliczone w krokach 6.1.5 i 6.2.3 i przenieś te pliki do folderu procedury wizualizacji w czasie rzeczywistym zaimplementowanej w Pythonie i oprogramowaniu do wizualizacji (Rysunek 10b).
    3. Rozpocznij procedurę wizualizacji w czasie rzeczywistym za pomocą oprogramowania do wizualizacji (patrz kod open source) i sprawdź, czy rzeczywista pozycja sondy US jest wyświetlana poprawnie (Rysunek 17).
    4. Uruchom aplikację rejestrującą w celu zarejestrowania pozycji sondy. Ręcznie dopasuj każdą jakościowo wstępnie zdefiniowaną pozycję, wyświetlaną w oprogramowaniu do wizualizacji, z sondą US i uzyskaj odpowiedni obraz za pomocą systemu ULA-OP (krok 5.2.3). Zatrzymaj obie aplikacje i przenieś wszystkie obrazy US w formacie ULA-OP oraz pliki dziennika śledzenia ruchu do stacji roboczej.

figure-protocol-14
Rysunek 17: Akwizycja amerykańskich obrazów predefiniowanych póz. Operator przesuwa sondę amerykańską, aby osiągnąć predefiniowane pozy; procedura jest obsługiwana w czasie rzeczywistym przez procedurę Pythona, która pokazuje pozycję sondy na obrazie 3D MR mózgu na wyświetlaczu stacji roboczej, za pomocą oprogramowania do wizualizacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Akwizycja odręcznych, ruchomych póz za pomocą liniowych sond US do rekonstrukcji obrazu 3D
    UWAGA: Poniższe kroki są przeznaczone tylko dla liniowych sond US i umożliwiają akwizycję sekwencji płaskich obrazów US 2D, które wraz z danymi pozycyjnymi z systemu śledzenia ruchu są potrzebne do rekonstrukcji objętości 3D.
    1. Clamp markery na sondzie amerykańskiej i wykonaj procedurę kalibracji (sekcje 5.3 i 6.1). Ustawić mózg i przeprowadzić procedurę kalibracji (sekcje 5.1 i 6.2).
    2. Ręcznie ustaw sondę amerykańską w zamierzonej pozycji początkowej (np. na przednim końcu każdej półkuli). Rozpocznij akwizycję każdej sekwencji obrazów w USA za pomocą systemu ULA-OP (krok 5.2.3) i aplikacji rejestrującej pozycję sondy.
    3. Zastosuj powolny, odręczny ruch sondy US w kierunku zamierzonej końcowej pozy (np. dystalnego końca każdej półkuli mózgu). Zatrzymaj akwizycję obrazów amerykańskich za pomocą systemu ULA-OP i zatrzymaj śledzenie sondy. Prześlij wszystkie obrazy z USA w formacie ULA-OP i pliki dziennika śledzenia ruchu do stacji roboczej.

8. Przetwarzanie końcowe i wizualizacja

  1. Obróbka końcowa sekwencji odręcznych US image
    UWAGA: Ta procedura jest zaimplementowana w języku programowania MATLAB i jest stosowana do każdej odręcznej sekwencji obrazów 2D US w formacie ULA-OP, w celu uzyskania kompletnych obrazów 3D.
    1. Załaduj sekwencję obrazów US w formacie ULA-OP. Dopasuj sekwencję obrazów z USA do plików dziennika śledzenia ruchu. Wyodrębnij sekwencję pozycji czasowych z plików dziennika, które są zawarte w przedziale czasowym biegnącym od początku do końca procesu akwizycji, zarejestrowanym przez system ULA-OP.
    2. Oblicz dokładny czas każdego obrazu US w sekwencji, korzystając z parametrów zarejestrowanych przez system ULA-OP.
    3. Obliczanie pozycji skojarzonej z każdym obrazem US w sekwencji poprzez interpolację między dwoma najbliższymi pozycjami czasowymi zarejestrowanymi przez system śledzenia ruchu. Użyj interpolacji liniowej między wektorami translacji i sferycznej interpolacji liniowej (SLERP) między obrotami, wyrażonej jako kwaterniony.
      UWAGA: Załóżmy, że w sekwencji znajduje się mediana obrazu US — tj. obraz w miejscu, które najlepiej dzieli sekwencję na dwie połówki o (w przybliżeniu) równej długości — jako odniesienie do definiowania ramki obrazu 3D US.
    4. Zastosuj kompresję logarytmiczną, znormalizuj obraz do maksimum i zastosuj próg (zwykle -60 dB) do każdej płaszczyzny na obrazie amerykańskim.
    5. W odniesieniu do układu odniesienia oblicz i zastosuj względną transformację przestrzenną do każdego z pozostałych obrazów USA w sekwencji, aby uzyskać wiązkę płaszczyzn położonych przestrzennie.
    6. Zastosuj procedurę interpolacji liniowej do struktury płaszczyzn położonych przestrzennie, aby utworzyć kartezjańską tablicę wokseli 3D. Zapisz kartezjańską tablicę wokseli 3D jako plik .vtk i zapisz znaczniki czasu interwału, które odpowiadają czasowi akwizycji.
  2. Obróbka końcowa innych obrazów amerykańskich (nie sekwencji odręcznych)
    UWAGA: Poniższa procedura jest stosowana do każdego obrazu US w formacie ULA-OP, z wyjątkiem sekwencji odręcznych (sekcja 8.1).
    1. Załaduj obraz US w formacie ULA-OP. Zastosuj kompresję logarytmiczną, znormalizuj obraz do maksimum i zastosuj próg (zwykle -60 dB) do każdej płaszczyzny na obrazie amerykańskim.
    2. Tylko w przypadku obrazów 3D w Stanach Zjednoczonych należy zastosować procedurę interpolacji liniowej (tj. konwersję skanowania) do struktury płaszczyzn położonych przestrzennie, aby utworzyć kartezjańską tablicę wokseli 3D.
    3. Zapisz płaszczyznę obrazu lub kartezjańską tablicę wokseli 3D jako plik .vtk, rejestrując znaczniki czasu interwału, które odpowiadają czasowi akwizycji.
  3. Rejestracja obrazów w USA
    UWAGA: W tej sekcji opisano procedury końcowej rejestracji obrazów US i MR przy użyciu dwóch transformacji obliczonych podczas poprzednich etapów kalibracji oraz danych o położeniu sondy US zarejestrowanych podczas akwizycji. Procedury oprogramowania w języku programowania MATLAB do rejestracji obrazów amerykańskich są dostępne jako open source w https://bitbucket.org/unipv/denecor-transformations.
    1. Załaduj obraz US w formacie .vtk.
    2. Dopasuj czas obrazu z USA do plików dziennika śledzenia ruchu. Wyodrębnij sekwencję pozycji czasowych z plików dziennika, które są zawarte w interwale czasowym od początku do końca procesu akwizycji, zgodnie z zapisem na obrazie vtk.
    3. Obliczanie średniej pozycji obrazu z USA. Użyj uśredniania liniowego dla wektorów translacji i zastosuj algorytm opisany w reference35 dla obrotów wyrażonych jako kwaterniony.
    4. Załaduj transformację US-to-marker, która odpowiada określonemu obrazowi US. Załaduj transformację motion tracker do MR, która odpowiada konkretnemu obrazowi US i wybranemu obrazowi MR.
    5. Użyj średniej pozycji razem z powyższymi dwiema transformacjami, aby obliczyć transformację sztywnej rejestracji US-to-MR i zapisać tę ostatnią w różnych formatach, w tym translacji i kątach Eulera, które umożliwiają wizualizację obrazu US w wybranej ramce obrazu MR.
  4. Wizualizacja zarejestrowanych obrazów w USA
    UWAGA: Są to końcowe kroki do wizualizacji pozyskanych obrazów US i MR oraz pokazania ich po nałożeniu w oprogramowaniu do wizualizacji, przy użyciu wcześniej obliczonych transformacji.
    1. Uruchom oprogramowanie do wizualizacji i załaduj wybrany obraz MR. Załaduj wszystkie odpowiednie obrazy z USA. Dla każdego obrazu US utwórz transformację Paraview i zastosuj obliczoną transformację rejestracji US-MR (Rysunek 18) do danych obrazu.

9. Modele kalibracyjne i transformacje

UWAGA: Ta sekcja opisuje matematyczne szczegóły technik kalibracji i transformacji stosowanych w przedstawionym protokole. Protokół eksperymentalny obejmuje cztery różne układy odniesienia, które muszą być odpowiednio połączone: 1) ramka obrazu USA, która zależy zarówno od fizycznych cech sondy amerykańskiej, jak i konfiguracji skanera, która kojarzy współrzędne przestrzenne (x, y, z) z każdym wokselem na obrazie amerykańskim (dla jednolitości zakłada się, że wszystkie płaskie obrazy 2D mają y=0); 2) ramka znacznika (M), która jest nieodłącznie związana z narzędziem do markera pasywnego, które jest przymocowane do sondy amerykańskiej (sekcja 6.1); 3) rama systemu śledzenia ruchu (TS), która jest nieodłącznie związana z instrumentem śledzącym; 4) ramka obrazu MR (MRI), która jest definiowana przez skaner, która kojarzy współrzędne przestrzenne (x, y, z) z każdym wokselem na obrazie MR. Dla wygody i uproszczenia notacji, procedury w tej sekcji są opisane przy użyciu macierzy rotacji (tj. macierzy cosinusów kierunku), a nie kwaternionów36.

  1. Z USA do M frame
    UWAGA: Eksperymentalna procedura kalibracji opisana w sekcji 6.1 daje następujące informacje: 1) pozycje 3D (p1, ... , p6) TS 2 wzorów po 3 kule każdy, zawarte w fantomie agaru i mierzone w ramce śledzenia ruchu; 2) Pozycje 3D każdego z tych samych dwóch wzorów (p1, ... , p3) US i (p4, ... , p6) US mierzone na każdym z dwóch uzyskanych obrazów amerykańskich; 3) jedna transformacja (RM>TS, tM>TS), gdzie R jest macierzą rotacji, a t jest wektorem translacji, mierzonym przez przyrząd pozycjonujący, który opisuje względne położenie narzędzia znacznika pasywnego (wszystkie obroty mierzone przez system śledzenia ruchu są raportowane jako kwaterniony, które muszą zostać przetłumaczone na macierze rotacji).
    1. Zastosuj algorytm w reference37 do każdej z dwóch par list (p1, ... , p3)US, (p1, ... , p3) TS i (p4, ... , p6)US, (p4, ... , p6)TS, aby uzyskać dwie transformacje typu (RUS>TS, tUS>TS), z których każda odpowiada jednemu określonemu obszarowi obrazu amerykańskiego.
      1. Oblicz oszacowanie pożądanej transformacji (RUS>M, tUS>M) z każdej z powyższych transformacji w następujący sposób:
        >RUS>M = RTM>TS RUS>TS
        >tUS>M = RTM>TS (tUS>TS - tM>TS)
        UWAGA: Te dwa oszacowania są łączone przez arytmetyczne uśrednianie wektorów >tUS>M i uśrednianie macierzy rotacji RUS>M przy użyciu metody opisanej w reference35, po uprzednim przetłumaczeniu macierzy na kwaterniony, a wynikowe kwaterniony z powrotem na macierz rotacji.
  2. Od systemu śledzenia ruchu do MRI frame
    UWAGA: Procedura opisana w sekcji 6.2 daje następujące informacje: 1) pozycje 3D (p1, ... , s.18)TS 6 wzorów 3 kulek, z których każda znajduje się w mózgu bydlęcym, mierzone w ramce systemu śledzenia ruchu; 2) Pozycje 3D tych samych 18 sfer (p1, ... , p18) MRI mierzone na docelowym obrazie MR.
    1. Bezpośrednio oblicz żądaną transformację (RTS>MRI, tTS>MRI), stosując algorytm in37 do dwóch list pozycji.
  3. Z US do MRI frame
    UWAGA: Amerykańska procedura pozyskiwania obrazów opisana w Sekcji 7 tworzy obrazy, dla których, po rozwiązaniu znaczników czasu powiązanych z plikami dziennika śledzenia ruchu, transformacja (RM>TS, tM>TS) jest obliczana bezpośrednio.
    1. Oblicz żądane przekształcenie w następujący sposób:
      RUS>MRI = RTS>MRI RM>TS RUS>M
      >tUS>MRI = RTS>MRI (RM>TS tUS>M + tM>TS) + tTS>MRI

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Głównym rezultatem osiągniętym za pomocą opisanego protokołu jest eksperymentalna walidacja skutecznej i powtarzalnej procedury oceny możliwości obrazowania 2D i 3D prototypów sond amerykańskich opartych na technologii CMUT, w perspektywicznym zastosowaniu do obrazowania mózgu. Po wykonaniu wszystkich opisanych kroków protokołu, ekspert może zastosować funkcje oprogramowania do wizualizacji (np. swobodne dzielenie orientacji, ekstrakcja podzbiorów, interpolacja objętości itp....

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W literaturze przedmiotu zamieszczono kilka prac opisujących techniki, które są podobne lub pokrewne do prezentowanego protokołu. Techniki te opierają się również na wykorzystaniu realistycznych celów, w tym nieruchomych mózgów zwierząt lub zwłok, ale są one przeznaczone głównie do testowania różnego rodzaju metod rejestracji cyfrowej.

Opisany tutaj protokół ma jednak konkretny cel testowania sond amerykańskich w różnych konfiguracjach we wczesnych stadiach rozwoju i w związku z tym spełnia po...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy deklarują, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca została częściowo wsparta przez rządy krajowe i Unię Europejską poprzez projekt ENIAC JU DeNeCoR na podstawie umowy o grant numer 324257. Autorzy pragną podziękować prof. Giovanniemu Magenesowi, prof. Piero Tortoli i dr Giosuè Caliano za ich cenne wsparcie, nadzór i wnikliwe komentarze, które umożliwiły tę pracę. Jesteśmy również wdzięczni prof. Egidio D'Angelo i jego grupie (BCC Lab.), a także Fondazione Istituto Neurologico C. Mondino za dostarczenie oprzyrządowania do śledzenia ruchu i rezonansu magnetycznego, a także Giancarlo Germaniemu za pozyskanie rezonansu magnetycznego. Na koniec chcielibyśmy podziękować dr Nicoletcie Caramii, dr Alessandro Dallai i Pani Barbarze Mauti za ich cenne wsparcie techniczne oraz Panu Walterowi Volpi za dostarczenie mózgu bydlęcego.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
ULA-OPUniwersytet we FlorencjiN/ASystem badawczy do obrazowania ultrasonograficznego
Sonda piezeoelektryczna do obrazowania 3DEsaote s.p.a.9600195000Mechanicznie omiatana sonda ultradźwiękowa 3D, model BL-433
Liniowa sonda piezoelektrycznaEsaote s.p.a.122001100Ultradźwiękowa sonda liniowa, model LA-533
Sonda CMUTUniversity Roma TreN/AUltradźwiękowa sonda liniowa oparta na technologii CMUT
Skaner MAGNETOM Skyra 3TMR Siemens HealthcareN/ASkaner MR
głowicy Siemens HealthcareN/A32-kanałowa cewka głowicy do obrazowania MR
NDI Polaris VicraNDI Medical8700335001Optyczny system śledzenia ruchu
Narzędzie wskaźnikoweNDI Medical8700340Pasywne narzędzie wskaźnikowe z 4 znacznikami odblaskowymi Narzędzie
wyposażone w zaciskNDI Medical8700399Sztywny korpus z 4 znacznikami odblaskowymi i zaciskiem do podłączenia do uchwytu sondy amerykańskiej
Mózg bydlęcyNIEDOTYCZYNie dotyczy Mózg dorosłego bydła, od dostawców żywności
Roztwór formalinyN/AN/A10% buforowany roztwór formaliny do fiksacji mózgu bydła - UWAGA, formalina jest toksyczną substancją chemiczną i należy obchodzić się z nią ostrożnie; mogą również obowiązywać szczególne przepisy (patrz na przykład US OSHA Standard 1910.1048 App A)
Plastikowy pojemnik na części anatomiczneN/AN/ACylindryczny pojemnik z pokrywką
Szklanekule N/AN/A Kuleszkła
krzemiennego o średnicy 3 mmAgarN/AN/D30 g, do przygotowania fantomowego
GlicerynaAEFFE FarmaceuticiA908005248100 g, do przygotowania fantomowego
Woda destylowanaSolbat Gaysol8027391000015870 g, do przygotowania fantomowego
ZlewkaN/AN/DZlewka stosowana do rozcieńczania gliceryny i agaru w wodzie destylowanej
LysoformLever8000680500014Do konserwacji fantomów agaru użyto chlorku benzalkoniowego i roztworu wodnego
Polistyrenowa głowa manekinaN/A/AModel polyyestirene, który został wycięty i wykorzystany do zaprojektowania konfiguracji wzorów kul
Zielony barwnik do znakowania tkanek do histologiiNIE DOTYCZYNIE DOTYCZYKolor używany do oznaczania pozycji szklanych kulek na powierzchni mózgu bydlęcego
Szkliwo żółteNie dotyczyNie dotyczyEmalia używana do barwienia szklanych kulek wszczepionych do fantomu agarowego
Zbiornik na wodęN/AN/D50x50x30 cm zbiornik z tworzywa sztucznego wypełniony odgazowaną wodą do wysokości 15 cm 
Ramię mechaniczneEsaote s.p.a.Nie dotyczyRamię mechaniczne zaciśnięte na krawędzi zbiornika na wodę i służące do utrzymywania sondy w ustalonych pozycjach
Płyta z żywicy syntetycznejN/A/APłytka używana jako podpora do pozycjonowania mózgu bydlęcego w zbiorniku na wodę
Nici do szyciaN/AN/ASegmenty nici do szycia służące do unieruchamiania mózgu na płycie żywicznej
Taśma klejącaNIEDOTYCZY NIEDOTYCZYTaśma klejąca służąca do mocowania końców nici do szycia na płycie żywicznej
Plastikowy pojemnik na żywnośćNIE DOTYCZYNie dotyczy Szczelny pojemnik na żywność używany do fantomu agaru
NotebookLenovoZ50-70Lenovo  Z50-70, Intel(R) Core i7-4510U @ 2,0 GHz,
stacja roboczaDell Inc.Procesor T5810Intel(R) Xeon(R) E3-1240v3 @ 3,40 GHz, 16 GB RAM
MatlabMathWorksR2013a, używane do obliczeń transformacji przestrzeni i rekonstrukcji 3D z płaszczyzn obrazu
ParaviewKitware Inc.v. 4.4.1Oprogramowanie Open-source do przetwarzania i wizualizacji obrazów 3D
NDI Toolbox - ToolTracker UtilityNDI Medicalv. 4.007.007Oprogramowanie do wizualizacji i śledzenia pozycji znaczników w objętości pomiarowej NDI Polaris Vicra
Oprogramowanie do rejestracji danych C++NDI Medicalv. 4.007.007Oprogramowanie do rejestracji pozycji znacznika w pliku tekstowym
dziennika Oprogramowanie ULA-OP Uniwersytet we FlorencjiN/A Oprogramowaniedo wyświetlania i sterowania systemem ULA-OP w czasie rzeczywistym
Cewka ze N N z 8 GB pamięci RAM Narzędzie programowe

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Matrone, G., Savoia, A. S., Terenzi, M., Caliano, G., Quaglia, F., Magenes, G. A Volumetric CMUT-Based Ultrasound Imaging System Simulator With Integrated Reception and µ-Beamforming Electronics Models. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 61 (5), 792-804 (2014).
  2. Pappalardo, M., Caliano, G., Savoia, A. S., Caronti, A. Micromachined ultrasonic transducers. Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications. , Springer. 453-478 (2008).
  3. Oralkan, O. Capacitive micromachined ultrasonic transducers: Next-generation arrays for acoustic imaging? IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 49 (11), 1596-1610 (2002).
  4. Savoia, A., Caliano, G., Pappalardo, M. A CMUT probe for medical ultrasonography: From microfabrication to system integration. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (6), 1127-1138 (2012).
  5. ENIAC JU project DeNeCoR website. , http://www.denecor.info (2017).
  6. Ramalli, A., Boni, E., Savoia, A. S., Tortoli, P. Density-tapered spiral arrays for ultrasound 3-D imaging. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 62 (8), 1580-1588 (2015).
  7. Lazebnik, R. S., Lancaster, T. L., Breen, M. S., Lewin, J. S., Wilson, D. L. Volume registration using needle paths and point landmarks for evaluation of interventional MRI treatments. IEEE Trans. Med. Imag. 22 (5), 653-660 (2003).
  8. Dawe, R. J., Bennett, D. A., Schneider, J. A., Vasireddi, S. K., Arfanakis, K. Postmortem MRI of human brain hemispheres: T2 relaxation times during formaldehyde fixation. Magn. Reson. Med. 61 (4), 810-818 (2009).
  9. Chen, S. J., et al. An anthropomorphic polyvinyl alcohol brain phantom based on Colin27 for use in multimodal imaging. Mag. Res. Phys. 39 (1), 554-561 (2012).
  10. Farrer, A. I. Characterization and evaluation of tissue-mimicking gelatin phantoms for use with MRgFUS. J. Ther. Ultrasound. 3 (9), (2015).
  11. Choe, A. S., Gao, Y., Li, X., Compton, K. B., Stepniewska, I., Anderson, A. W. Accuracy of image registration between MRI and light microscopy in the ex vivo brain. Magn. Reson. Imaging. 29 (5), 683-692 (2011).
  12. PVA brain phantom images website. , http://pvabrain.inria.fr (2017).
  13. Gobbi, D. G., Comeau, R. M., Peters, T. M. Ultrasound probe tracking for real-time ultrasound/MRI overlay and visualization of brain shift. Int. Conf. Med. Image Comput. Comput. Assist. Interv (MICCAI) n. 920, 927(1999).
  14. Ternifi, R. Ultrasound measurements of brain tissue pulsatility correlate with the volume of MRI white-matter hyperintensity. J. Cereb. Blood Flow. Metab. 34 (6), 942-944 (2014).
  15. Unsgaard, G. Neuronavigation by Intraoperative Three-dimensional Ultrasound: Initial Experience during Brain Tumor Resection. Neurosurgery. 50 (4), 804-812 (2002).
  16. Pfefferbaum, A. Postmortem MR imaging of formalin-fixed human brain. NeuroImage. 21 (4), 1585-1595 (2004).
  17. Schulz, G. Three-dimensional strain fields in human brain resulting from formalin fixation. J. Neurosci. Meth. 202 (1), 17-27 (2011).
  18. Ahrens, J., Geveci, B., Law, C. ParaView: An End-User Tool for Large Data Visualization. Visualization Handbook. , Elsevier. (2005).
  19. Cloutier, G. A multimodality vascular imaging phantom with fiducial markers visible in DSA, CTA, MRA, and ultrasound. Med. Phys. 31 (6), 1424-1433 (2004).
  20. Boni, E. A reconfigurable and programmable FPGA-based system for nonstandard ultrasound methods. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (7), 1378-1385 (2012).
  21. Bagolini, A. PECVD low stress silicon nitride analysis and optimization for the fabrication of CMUT devices. J. Micromech. Microeng. 25 (1), (2015).
  22. Savoia, A. Design and fabrication of a cMUT probe for ultrasound imaging of fingerprints. Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 1877-1880 (2010).
  23. Fenster, A., Downey, D. B. Three-dimensional ultrasound imaging. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2, 457-475 (2000).
  24. Matrone, G., Ramalli, A., Savoia, A. S., Tortoli, P., Magenes, G. High Frame-Rate, High Resolution Ultrasound Imaging with Multi-Line Transmission and Filtered-Delay Multiply And Sum Beamforming. IEEE Trans. Med. Imag. 36 (2), 478-486 (2017).
  25. Matrone, G., Savoia, A. S., Caliano, G., Magenes, G. Depth-of-field enhancement in Filtered-Delay Multiply and Sum beamformed images using Synthetic Aperture Focusing. Ultrasonics. 75, 216-225 (2017).
  26. Boni, E., Cellai, A., Ramalli, A., Tortoli, P. A high performance board for acquisition of 64-channel ultrasound RF data. Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 2067-2070 (2012).
  27. Matrone, G., Savoia, A. S., Caliano, G., Magenes, G. The Delay Multiply and Sum beamforming algorithm in medical ultrasound imaging. IEEE Trans. Med. Imag. 34, 940-949 (2015).
  28. Savoia, A. S. Improved lateral resolution and contrast in ultrasound imaging using a sidelobe masking technique. Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 1682-1685 (2014).
  29. Gyöngy, G., Makra, A. Experimental validation of a convolution- based ultrasound image formation model using a planar arrangement of micrometer-scale scatterers. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 62 (6), 1211-1219 (2015).
  30. Shapoori, K., Sadler, J., Wydra, A., Malyarenko, E. V., Sinclair, A. N., Maev, R. G. An Ultrasonic-Adaptive Beamforming Method and Its Application for Trans-skull Imaging of Certain Types of Head Injuries; Part I: Transmission Mode. IEEE Trans. Biomed. Eng. 62 (5), 1253-1264 (2015).
  31. Salles, S., Liebgott, H., Basset, O., Cachard, C., Vray, D., Lavarello, R. Experimental evaluation of spectral-based quantitative ultrasound imaging using plane wave compounding. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 61 (11), 1824-1834 (2014).
  32. Alessandrini, M. A New Technique for the Estimation of Cardiac Motion in Echocardiography Based on Transverse Oscillations: A Preliminary Evaluation In Silico and a Feasibility Demonstration In Vivo. IEEE Trans. Med. Imag. 33 (5), 1148-1162 (2014).
  33. Ramalli, A., Basset, O., Cachard, C., Boni, E., Tortoli, P. Frequency-domain-based strain estimation and high-frame-rate imaging for quasi-static elastography. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (4), 817-824 (2012).
  34. NDI Polaris Vicra optical tracking system website. , http://www.ndigital.com/medical/polaris-family (2017).
  35. Markley, F. L., Cheng, Y., Crassidis, J. L., Oshman, Y. Averaging quaternions. J. Guid. Cont. Dyn. 30 (4), 1193-1197 (2007).
  36. Dorst, L., Fontijne, D., Mann, S. Geometric Algebra for Computer Science. An Object-oriented Approach to Geometry. , A Volume in the Morgan Kaufmann Series in Computer Graphics (2007).
  37. Horn, B. K. P. Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions. J. Opt. Soc. Am. A. 4 (4), 629-642 (1987).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Przetworniki ultrad wi kowe CMUTprotok obrazowania m zgurejestracja obraz w USG i MRsystem ledzenia ruchuobrazowanie m zgu bydl cegokalibracja fantomu agarowegozaawansowana otwarta platforma ultrad wi kowawolnor czne pozyskiwanie obraz w3D rekonstrukcja obrazujako ciowa ocena pozycji

Powiązane artykuły