Экспериментальный протокол для оценки эффективности новых ультразвуковые датчики, основанные на CMUT технологии в применении к томографии мозга

В настоящее время появляется новое семейство ультразвуковых датчиков на основе МЭМС-преобразователей. Компоненты CMUT изготовлены на основе кремния и обладают значительным потенциалом с точки зрения широкополосной работы, хорошей тепловой эффективности и низкой стоимости изготовления. В этом видео описывается надежный и воспроизводимый эксперимент по протоколу доступа к возможностям ультразвуковых зондов CMUT в применении к визуализации мозга на ранних стадиях прототипирования и разработки.

Емкостные микромеханические ультразвуковые преобразователи или сокращенно CMUT представляют собой микромассивы крошечных электростатических приводов, каждый из которых действует как двухультразвуковой преобразователь. Более подробно, в каждой ячейке CMUT электрическое возбуждение создает динамическую силу, которая затем использует механическую вибрацию движущейся пластины. Генерируемые таким образом акустические волны распространяются по всей среде.

При приеме эффект обратный. Акустические волны, генерируемые рассеянием тканей, вызывают вибрации движущейся пластины, которые изменяют емкость ячейки CMUT. При этом создается электрический сигнал, который в дальнейшем усиливается и передается в ультразвуковую систему.

Это линейный зонд CMUT, используемый для экспериментов, показанных в этом видео. Головка зонда слева содержит решетку CMUT, покрытую акустической линзой. На изображении справа показана упакованная головка зонда вместе с многоканальным кабелем, который соединяет ее с ультразвуковой системой.

Это обзор протокола, который будет показан. На этапе предварительного проектирования определяется стратегия позиционирования знаковых стеклянных сфер и подготавливается Agar Phantom к калибровке. В наборе для подготовки образцов мозг крупного рогатого скота подготавливается путем вставки стеклянных сфер в заранее определенные положения и фиксации его в формалине.

Затем подготовленный мозг крупного рогатого скота пропускают на МРТ для получения 3D-изображений. Затем с помощью экспертов на изображениях 3D MR определяются качественные позы. Для создания экспериментальной среды необходимо установить пассивные маркеры слежения на ультразвуковой зонд и подключить сканер ULOB к системе отслеживания движения.

В этом случае требуются два калибровочных комплекта: один для зажатых маркеров на ультразвуковом датчике, а другой для преобразования положений трекера движения в положения на целевом 3D-МРТ-изображении. Ультразвуковые изображения будут выполняться с помощью нашего инструмента визуализации в режиме реального времени для сопоставления заранее определенных качественных поз. На заключительном этапе постобработки ультразвуковые изображения регистрируются на целевом 3D МРТ-изображении.

Движущиеся изображения от руки также реконструируются в 3D-объемы. Предварительная операция для калибровочной активности, которая будет показана позже, включает в себя использование фантома, сделанного из желе аргалы, со встроенными в него узорами из стеклянных сфер. Для обеспечения максимальной реалистичности и надежности протокола оценки в качестве мишеней для визуализации были выбраны мозги крупного рогатого скота, полученные из стандартной цепочки поставок продуктов питания.

Образцы готовили путем вставки стеклянных сфер в заранее определенные положения. Затем образцы погружали в раствор формалида и держали в таком состоянии не менее трех недель до полной фиксации. Затем было проведено многократное магнитно-резонансное сканирование головного мозга крупного рогатого скота с использованием различных последовательностей ожидания.

Как видно, стеклянные сферы хорошо видны на МРТ-изображениях. Повторяемость получения ультразвуковых изображений обеспечивается определением 12 виртуальных поз. Каждая из этих предопределенных поз указывает на область мозга крупного рогатого скота, которая богата морфологическими особенностями и неоднородностью тканей.

Специальная программная процедура обеспечивает визуальную обратную связь в режиме реального времени о текущем положении и ориентации ультразвукового датчика, используя данные от системы отслеживания движения. Это комплексная и интегрированная ультразвуковая система. На механическом манипуляторе зонд CMUT подключен к системе ULA-OP, которая использует компьютер, подключенный через USB, для управления, программирования и визуализации.

Ультразвуковой зонд, используемый в этом протоколе, должен быть прикреплен к расположению отражающих маркеров, чтобы его положение и ориентация могли быть записаны системой отслеживания движения. Фантом погружается в резервуар с водой в поле зрения инфракрасного датчика положения, который фиксирует положение и ориентацию номинальной диаграммы отражающих маркеров и передает их через USB на домашний компьютер. Положение каждой стеклянной сферы записывается с помощью стрелочного инструмента.

Запись ведется оператором. Целью калибровки является нахождение геометрического преобразования от собственной системы изображения датчика к системе отсчета отражающих маркеров с использованием положений стеклянных сфер, извлеченных из ультразвуковых изображений. Как только сферы становятся видимыми на ультразвуковых изображениях, механическая рука блокируется, и изображение получается.

Затем калибровочные ультразвуковые изображения импортируются в инструмент визуализации, в котором положение сфер отмечается вручную и сохраняется в файле. Затем геометрическое преобразование вычисляется автоматически путем сравнения всех этих положений с соответствующими позициями, зарегистрированными системой отслеживания движения. Для определения положения ультразвуковых изображений, которое является целью протокола, после полного промывки мозг крупного рогатого скота сначала обездвиживается на пластиковой пластине, а затем погружается в резервуар с водой в пределах поля зрения системы отслеживания движения.

Положение всех стеклянных сфер, встроенных в мозг крупного рогатого скота, записывается вручную с помощью системы отслеживания движения и указателя. Все позиции, полученные таким образом, хранятся в лог-файле. Целью второго действия по калибровке является нахождение геометрического преобразования из физического пространства системы слежения за движением в лицо каждого МР-изображения.

На этом изображении показаны все записанные положения указателей в 3D-фазе одного МР-изображения. Здесь мы видим, как процедура визуальной обратной связи инициализируется после калибровки. 12 предопределенных виртуальных поз видны оператору в 3D-виде.

Здесь красный конус соответствует ультразвуковому датчику, который оператор держит в руках. Положение датчика записывается системой отслеживания движения и преобразуется в режиме реального времени для обеспечения визуальной обратной связи. Здесь система ULOB записывает изображения на двух частотах одновременно.

После того, как край признан удовлетворительным, ультразвуковое изображение замораживается и сохраняется на диске. Другой метод сбора данных заключается в произвольном сканировании ультразвукового зонда, в то время как система ULOB запрограммирована на выполнение быстрых, повторяющихся сборов данных в последовательности. Таким образом, целые подобъемы мозга крупного рогатого скота могут быть покрыты за каждый взмах.

В результате получается последовательность срезов, каждый из которых представляет собой bmod ультразвуковое изображение, которое сохраняется на диске целиком. Каждая последовательность предназначена для постобработки. Когда каждый срез связан с мгновенным положением и ориентацией, обеспечиваемыми системой отслеживания движения, и объединяется для формирования трехмерной картины соответствующего подобъема.

В целом, целью постобработки изображений в этом протоколе является возможность сравнительного визуального анализа ультразвуковых изображений с МРТ-изображениями после специальной регистрации. Здесь мы видим набор данных из 12 изображений, соответствующих заранее определенным позам, объединенным в 3D-реконструкцию после пространственной регистрации. С помощью программного инструмента визуализации каждое ультразвуковое изображение, соответствующее заранее определенной позе, может быть просмотрено в суперпозиции соответствующего среза трехмерного МРТ-изображения, а также может быть оценена чистота содержимого изображения.

В этой финальной анимации мы можем увидеть результаты трехмерной реконструкции всех последовательностей нарезанных изображений, полученных с помощью одного развертки в режиме свободной руки. За исключением нескольких артефактов реконструкции, качество этих изображений дает четкое представление об уровне производительности, который может быть достигнут с помощью технологии и приложения для визуализации мозга. Основным результатом, достигнутым с помощью описанных экспериментов, является доказательство эффективности протокола оценки производительности визуализации зонда CMUT и интегрированной системы аппаратных и программных средств для каждого выполнения.

Кроме того, были получены полные наборы данных зарегистрированных ультразвуковых и МРТ-изображений, которые могут быть использованы для поддержки более глубокого состояния при автоматизированном анализе изображений. В заключение следует отметить, что экспериментальный протокол, представленный в этом видео, является эффективным и воспроизводимым методом оценки возможностей визуализации инновационных ультразвуковых датчиков CMUT. В его реализации основополагающее значение сыграла интеграция открытых аппаратных и программных средств.

Сравнительный визуальный анализ УЗИ и МРТ, который позволяет проводить этот метод, может быть дополнительно улучшен за счет интеграции более сложных программных методов.