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

Obecnie powstaje nowa rodzina sond ultradźwiękowych opartych na przetwornikach MEMS. Komponenty CMUT są zbudowane na krzemie i mają znaczny potencjał w zakresie pracy szerokopasmowej, dobrej sprawności cieplnej i niskich kosztów wytwarzania. Ten film opisuje solidny i powtarzalny eksperyment dotyczący protokołu dostępu do możliwości sond ultradźwiękowych CMUT w zastosowaniu do obrazowania mózgu na wczesnych etapach prototypowania i rozwoju.

Pojemnościowe przetworniki ultradźwiękowe wykonane mikromaszyną lub w skrócie CMUT to mikrofabrykowane układy maleńkich, elektrostatycznych siłowników, z których każdy działa jako dwuprzetwornik ultradźwiękowy. Mówiąc bardziej szczegółowo, w każdym ogniwie CMUT wzbudzenie elektryczne wytwarza siłę dynamiczną, która następnie wykorzystuje drgania mechaniczne ruchomej płytki. Powstałe w ten sposób fale akustyczne rozchodzą się w ośrodku.

Efekt jest odwrócony podczas odbioru. Fale akustyczne generowane przez rozpraszanie tkanek powodują drgania ruchomej płytki, które zmieniają pojemność komórki CMUT. W ten sposób powstaje sygnał elektryczny, który jest dalej wzmacniany i przesyłany do systemu ultradźwiękowego.

Jest to liniowa sonda CMUT używana w eksperymentach pokazanych w tym filmie. Głowica sondy po lewej stronie zawiera matrycę CMUT pokrytą soczewką akustyczną. Zdjęcie po prawej stronie przedstawia zapakowaną głowicę sondy wraz z wielokanałowym, który łączy ją z systemem ultrasonograficznym.

To jest przegląd protokołu, który zostanie pokazany. Na wstępnym etapie projektowania definiowana jest strategia pozycjonowania charakterystycznych szklanych kul i przygotowywany jest Agar Phantom do kalibracji. W zestawie do przygotowywania próbek mózg bydlęcy jest przygotowywany poprzez włożenie szklanych kulek w określonych pozycjach i utrwalenie ich w formalinie.

Następnie przygotowany mózg bydlęcy jest przekazywany do skanu MR w celu uzyskania obrazów 3D. Jakościowe pozy są następnie definiowane na obrazach MR 3D z pomocą ekspertów. Stworzenie środowiska eksperymentalnego wymaga umieszczenia pasywnych znaczników śledzących w sondzie ultradźwiękowej oraz połączenia skanera ULOB z systemem śledzenia ruchu.

Następnie wymagane są dwa zestawy kalibracyjne, jeden do zaciśniętych znaczników na sondzie ultradźwiękowej, a drugi do konwersji pozycji śledzenia ruchu na pozycje na docelowym obrazie 3D MR. Akwizycja obrazów ultrasonograficznych będzie wykonywana przy użyciu naszego narzędzia do wizualizacji w czasie rzeczywistym w celu dopasowania predefiniowanych, jakościowych póz. W ostatnim etapie przetwarzania końcowego obrazy ultrasonograficzne są rejestrowane na docelowym obrazie MR 3D.

Ruchome obrazy z wolnej ręki są również rekonstruowane w objętości 3D. Operacja wstępna do ćwiczenia kalibracyjnego, która zostanie pokazana później, polega na użyciu fantomu wykonanego z galaretki argala z osadzonymi w niej wzorami szklanych kulek. Aby zapewnić maksymalny realizm i wiarygodność protokołu oceny, jako cele obrazowania wybrano mózgi bydlęce uzyskane ze standardowego łańcucha dostaw żywności.

Próbki przygotowywano poprzez włożenie szklanych kulek w określonych wcześniej pozycjach. Próbki zanurzono następnie w roztworze formalidowym i przechowywano w ten sposób przez co najmniej trzy tygodnie, aż do całkowitego utrwalenia. Następnie wykonano wiele skanów rezonansu magnetycznego mózgu bydła przy użyciu różnych sekwencji oczekiwania.

Jak widać, szklane kule są dobrze widoczne na obrazach MR. Powtarzalność pozyskiwania obrazów ultrasonograficznych jest wymuszona przez zdefiniowanie 12 wirtualnych póz. Każda z tych predefiniowanych pozycji wskazuje na obszar mózgu bydlęcy, który jest bogaty w cechy morfologiczne i niejednorodność tkanek.

Specjalna procedura oprogramowania zapewnia wizualną informację zwrotną w czasie rzeczywistym na temat aktualnej pozycji i orientacji sondy ultradźwiękowej na podstawie danych z systemu śledzenia ruchu. Jest to kompletny i zintegrowany system ultrasonograficzny. Na ramieniu mechanicznym sonda CMUT podłączona do systemu ULA-OP, który wykorzystuje komputer podłączony przez USB do sterowania, programowania i wizualizacji.

Sonda ultradźwiękowa używana w tym protokole musi być przymocowana do układu znaczników odblaskowych, tak aby jej położenie i orientacja mogły być rejestrowane przez system śledzenia ruchu. Fantom jest zanurzony w zbiorniku na wodę w polu widzenia czujnika położenia na podczerwień, który rejestruje pozycję i orientację znamionowego wzoru znaczników odblaskowych i przesyła je przez USB do komputera domowego. Położenie każdej szklanej kuli jest rejestrowane za pomocą narzędzia wskazującego.

Nagrywanie jest sterowane przez operatora. Celem kalibracji jest znalezienie geometrycznej transformacji od wewnętrznej ramki obrazu sondy do układu odniesienia znaczników odblaskowych przy użyciu pozycji szklanych kulek wyodrębnionych z obrazów ultrasonograficznych. Gdy kule staną się widoczne na obrazach ultrasonograficznych, ramię mechaniczne zostaje zablokowane i obraz jest pozyskiwany.

Obrazy ultrasonograficzne do kalibracji są następnie importowane do narzędzia do wizualizacji, w którym pozycje kul są oznaczane ręcznie i zapisywane w pliku. Transformacja geometryczna jest następnie obliczana automatycznie poprzez porównanie wszystkich tych pozycji z odpowiadającymi im pozycjami zarejestrowanymi przez system śledzenia ruchu. W celu umiejscowienia obrazów ultrasonograficznych, co jest celem protokołu, po całkowitym umyciu mózg bydlęcy jest najpierw unieruchamiany na plastikowej płytce, a następnie zanurzany w zbiorniku na wodę w polu widzenia systemu śledzenia ruchu.

Pozycje wszystkich szklanych kulek osadzonych w mózgu bydlęcym są ręcznie rejestrowane za pomocą systemu śledzenia ruchu i narzędzia wskazującego. Wszystkie uzyskane w ten sposób pozycje są zapisywane w pliku dziennika. Celem drugiego ćwiczenia kalibracyjnego jest znalezienie transformacji geometrycznej z przestrzeni fizycznej systemu śledzenia ruchu do powierzchni każdego obrazu MR.

Ten obraz pokazuje wszystkie zarejestrowane pozycje wskaźnika wewnątrz fazy 3D jednego obrazu MR. Tutaj widzimy, jak procedura wizualnego sprzężenia zwrotnego jest inicjowana po kalibracji. 12 predefiniowanych wirtualnych póz jest widocznych dla operatora w widoku 3D.

W tym przypadku czerwony stożek odpowiada sondzie ultradźwiękowej trzymanej w ręku przez operatora. Pozycja sondy jest rejestrowana przez system śledzenia ruchu i przekształcana w czasie rzeczywistym w celu zapewnienia wizualnej informacji zwrotnej. W tym przypadku system ULOB rejestruje obrazy na dwóch częstotliwościach jednocześnie.

Gdy krawędź zostanie uznana za zadowalającą, obraz ultrasonograficzny jest zamrażany i zapisywany na dysku. Inną metodą akwizycji jest odręczne przesuwanie sondy ultradźwiękowej, podczas gdy system ULOB jest zaprogramowany do wykonywania szybkich, powtarzających się akwizycji w sekwencji. W ten sposób całe podobjętości mózgu bydlęcego mogą być pokryte za każdym razem.

Rezultatem jest sekwencja wycinków, z których każdy jest obrazem ultrasonograficznym bmod, który jest zapisywany na dysku jako całości. Każda sekwencja jest przeznaczona do obróbki końcowej. Gdy każdy wycinek jest powiązany z chwilowym położeniem i orientacją zapewnioną przez system śledzenia ruchu i połączony w celu utworzenia trójwymiarowego obrazu odpowiadającej mu objętości cząstkowej.

Ogólnie rzecz biorąc, celem przetwarzania końcowego obrazu w tym protokole jest umożliwienie porównawczej analizy wizualnej obrazów ultrasonograficznych z obrazami MR po specjalnej rejestracji. Tutaj widzimy zestaw danych 12 obrazów odpowiadających predefiniowanym pozom połączonym w rekonstrukcji 3D po rejestracji przestrzennej. Za pomocą oprogramowania do wizualizacji każdy obraz ultrasonograficzny odpowiadający predefiniowanej pozie można zobaczyć w superpozycji do odpowiedniego wycinka trójwymiarowego obrazu MR i ocenić czystość zawartości obrazu.

W tej końcowej animacji możemy zobaczyć wyniki trójwymiarowej rekonstrukcji całych sekwencji pokrojonych obrazów uzyskanych jednym przeciągnięciem w trybie odręcznym. Poza kilkoma artefaktami rekonstrukcyjnymi, jakość tych obrazów daje jasne wyobrażenie o poziomie wydajności, jaki można osiągnąć dzięki technologii i zastosowaniu do obrazowania mózgu. Głównym rezultatem osiągniętym za pomocą opisanych eksperymentów jest udowodnienie skuteczności protokołu do oceny wydajności obrazowania sondy CMUT oraz na zintegrowanym systemie narzędzi sprzętowych i programowych dla każdego wykonania.

Ponadto uzyskano kompletne zestawy danych zarejestrowanych obrazów ultrasonograficznych i MR, które można wykorzystać do wspierania dalszego statusu w automatycznej analizie obrazu. Podsumowując, protokół eksperymentalny przedstawiony w tym filmie jest skuteczną i powtarzalną metodą oceny możliwości obrazowych innowacyjnych sond ultradźwiękowych CMUT. W jego realizacji fundamentalne okazało się połączenie otwartych narzędzi sprzętowych i programowych.

Porównawcza analiza wzrokowa ultrasonografii i rezonansu magnetycznego, na którą pozwala ta metoda, może być dodatkowo ulepszona poprzez integrację bardziej wyrafinowanych technik oprogramowania.