Um protocolo Experimental para avaliar o desempenho de novas sondas de ultrassom baseado na tecnologia CMUT na aplicação de imagens do cérebro

Uma nova família de sondas de ultrassom baseadas em transdutores MEMS está surgindo atualmente. Os componentes CMUT são construídos em silício e têm um potencial significativo em termos de operação de banda larga, boa eficiência térmica e baixo custo de fabricação. Este vídeo descreve um experimento robusto e repetível para protocolo de acesso aos recursos das sondas de ultrassom CMUT em aplicação a imagens cerebrais durante os estágios iniciais de prototipagem de design e desenvolvimento.

transdutores de ultrassom microusinados capacitivos ou CMUT são matrizes microfabricadas de minúsculos atuadores eletrostáticos, cada um atuando como um transdutor de dois ultrassônicos. Mais detalhadamente, em cada célula CMUT, uma excitação elétrica produz uma força dinâmica que usa a vibração mecânica da placa móvel. As ondas acústicas assim geradas se propagam através do meio.

O efeito é revertido durante a recepção. As ondas acústicas geradas pelo espalhamento tecidual causam vibrações da placa móvel que alteram a capacitância da célula CMUT. Isso produz um sinal elétrico que é amplificado e transmitido ao sistema de ultrassom.

Esta é a sonda CMUT linear usada para os experimentos mostrados neste vídeo. A cabeça da sonda à esquerda contém a matriz CMUT coberta por uma lente acústica. A imagem à direita mostra a cabeça da sonda empacotada junto com o cabo multicanal que a conecta ao sistema de ultrassom.

Esta é a visão geral do protocolo que será mostrado. Na etapa preliminar do projeto, a estratégia de posicionamento para esferas de vidro de referência é definida e um Fantasma de Ágar é preparado para calibração. No conjunto de preparação da amostra, o cérebro bovino é preparado inserindo as esferas de vidro em posições pré-definidas e fixando-as em formalina.

Em seguida, o cérebro bovino preparado é passado para a ressonância magnética para adquirir imagens 3D. As poses qualitativas são então definidas em imagens de RM 3D com a ajuda de especialistas. A configuração do ambiente experimental requer o plantio dos marcadores de rastreamento passivo na sonda de ultrassom e a conexão do scanner ULOB e do sistema de rastreamento de movimento.

Dois conjuntos de calibração são então necessários, um para marcadores fixados na sonda de ultrassom e outro para converter as posições do rastreador de movimento em posições na imagem de RM 3D alvo. As aquisições de imagens de ultrassom serão realizadas usando nossa ferramenta de visualização em tempo real para combinar poses qualitativas predefinidas. Na etapa final do pós-processamento, as imagens de ultrassom são registradas na imagem de RM 3D alvo.

Imagens em movimento à mão livre também são reconstruídas em volumes 3D. Uma operação preliminar para a atividade de calibração a ser mostrada posteriormente envolve o uso de um simulador feito com geléia de argala com padrões de esferas de vidro embutidos nele. Para o máximo realismo e confiabilidade do protocolo de avaliação, cérebros bovinos obtidos da cadeia de abastecimento alimentar padrão foram escolhidos como alvos de imagem.

Os espécimes foram preparados inserindo esferas de vidro em posições pré-definidas. Os espécimes foram então imersos em uma solução formalida e mantidos dessa forma por pelo menos três semanas até a fixação completa. Múltiplas ressonâncias magnéticas do cérebro bovino foram então adquiridas usando diferentes sequências de espera.

Como pode ser visto, as esferas de vidro são bem evidentes nas imagens de ressonância magnética. A repetibilidade da aquisição de imagens de ultrassom é reforçada pela definição de 12 poses virtuais. Cada uma dessas poses predefinidas aponta para uma região no cérebro bovino que é rica em características morfológicas e heterogeneidade tecidual.

Uma rotina de software específica fornece feedback visual em tempo real sobre a posição atual e a orientação da sonda de ultrassom usando dados do sistema de rastreamento de movimento. Este é o sistema de ultrassom completo e integrado. No braço mecânico, a sonda CMUT conectada ao sistema ULA-OP, que usa um computador conectado por um USB para controle, programação e visualização.

E a sonda de ultrassom usada neste protocolo deve ser presa a um arranjo de marcadores reflexivos para que sua posição e orientação possam ser registradas pelo sistema de rastreamento de movimento. O simulador é imerso em um tanque de água dentro do campo de visão de um sensor de posição infravermelho que registra a posição e a orientação de um padrão nominal de marcadores reflexivos e os transmite por um USB para um computador doméstico. A posição de cada esfera de vidro é registrada com uma ferramenta de ponteiro.

A gravação é conduzida pelo operador. O objetivo da calibração é encontrar a transformação geométrica da moldura de imagem intrínseca da sonda para a estrutura de referência de marcadores reflexivos usando as posições das esferas de vidro extraídas das imagens de ultrassom. Uma vez que as esferas são tornadas visíveis nas imagens de ultrassom, o braço mecânico é bloqueado e a imagem é adquirida.

As imagens de ultrassom de calibração são então importadas em uma ferramenta de visualização na qual as posições das esferas são marcadas manualmente e salvas em um arquivo. A transformação geométrica é então calculada automaticamente comparando todas essas posições com as posições correspondentes registradas pelo sistema de rastreamento de movimento. Para a posição das imagens de ultrassom, que é o objetivo do protocolo, após a lavagem completa, o cérebro bovino é primeiro imobilizado em uma placa plástica e, em seguida, imerso em um tanque de água dentro do campo de visão do sistema de rastreamento de movimento.

As posições de todas as esferas de vidro embutidas no cérebro bovino são registradas manualmente com o sistema de rastreamento de movimento e a ferramenta de ponteiro. Todas as posições obtidas desta forma são armazenadas em um arquivo de log. O objetivo da segunda atividade de calibração é encontrar a transformação geométrica do espaço físico do sistema de rastreamento de movimento para a face de cada imagem de RM.

Esta imagem mostra todas as posições de ponteiro registradas dentro da fase 3D de uma imagem de RM. Aqui vemos a rotina de feedback visual sendo inicializada após a calibração. As 12 poses virtuais predefinidas são visíveis para o operador na visualização 3D.

Aqui, o cone vermelho corresponde à sonda de ultrassom sendo portátil pelo operador. A posição da sonda é registrada pelo sistema de rastreamento de movimento e transformada em tempo real para fornecer feedback visual. Aqui, o sistema ULOB está gravando imagens em duas frequências simultaneamente.

Uma vez que uma borda é considerada satisfatória, a imagem de ultrassom é congelada e salva no disco. Uma modalidade de aquisição diferente é por uma varredura à mão livre da sonda de ultrassom feita enquanto o sistema ULOB é programado para realizar aquisições rápidas e repetidas em sequência. Desta forma, subvolumes inteiros do cérebro bovino podem ser cobertos em cada varredura.

O resultado é uma sequência de fatias, cada uma sendo uma imagem de ultrassom bmod que é salva no disco como um todo. Cada sequência destina-se ao pós-processamento. Quando cada fatia é associada à posição instantânea e orientação fornecida pelo sistema de rastreamento de movimento e combinada para formar uma imagem tridimensional do subvolume correspondente.

No geral, o objetivo do pós-processamento de imagens neste protocolo é permitir uma análise visual comparativa de imagens de ultrassom com imagens de RM após registro especial. Aqui vemos o conjunto de dados de 12 imagens correspondentes a poses predefinidas combinadas em uma reconstrução 3D após o registro espacial. Usando uma ferramenta de software de visualização, cada imagem de ultrassom correspondente a uma pose predefinida pode ser vista em superposição à fatia correspondente da imagem de RM tridimensional e a pureza do conteúdo da imagem pode ser avaliada.

Nesta animação final, podemos ver os resultados da reconstrução tridimensional de todas as sequências das imagens fatiadas adquiridas com uma única varredura no modo à mão livre. Além de alguns artefatos de reconstrução, a qualidade dessas imagens dá uma ideia clara do nível de desempenho que pode ser alcançado com a tecnologia e aplicação em imagens cerebrais. O principal resultado alcançado com os experimentos descritos é comprovar a eficácia do protocolo para a avaliação do desempenho de imagem da sonda CMUT e sobre o sistema integrado de ferramentas de hardware e software para cada execução.

Além disso, conjuntos de dados completos de imagens de ultrassom e ressonância magnética registradas foram obtidos e isso pode ser usado para apoiar um status mais avançado na análise automatizada de imagens. Em conclusão, o protocolo experimental apresentado neste vídeo é um método eficaz e repetível para a avaliação das capacidades de imagem de sondas de ultrassom CMUT inovadoras. Em sua realização, a integração de ferramentas abertas de hardware e software mostrou-se fundamental.

A análise visual comparativa de ultrassom com RM que o método permite pode ser aprimorada ainda mais com a integração de técnicas de software mais sofisticadas.