Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

وضع بروتوكول تجريبي لتقييم أداء جديدة المسابير الموجات فوق الصوتية على أساس تكنولوجيا كمات في التطبيق لتصوير الدماغ

Published: September 24, 2017 doi: 10.3791/55798
Automatic Translation
1, 2, 3, 4, 5, 6, 1
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

Summary

ويتطلب وضع المسابر الموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة) جديدة على أساس تكنولوجيا "محول طاقة" الموجات فوق الصوتية ميكروماتشينيد بالسعة (كموت) تقييما واقعيا مبكر لقدرات التصوير. يمكننا وصف بروتوكول تجريبي قابل لتكرار للولايات المتحدة الحصول على الصور والمقارنة مع صور الرنين المغناطيسي، استخدام السابقين فيفو بقرى الدماغ كهدف تصوير.

Abstract

إمكانية إجراء تقييم مبكر وقابلة للتكرار للتصوير الأداء الأساسية في التصميم ويَسْبِر عملية التنمية من جديد بالموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة). خاصة، إجراء تحليل أكثر واقعية مع أهداف التصوير الخاصة بالتطبيق يمكن أن تكون قيمة للغاية لتقييم الأداء المتوقع من تحقيقات الولايات المتحدة في هذا المجال السريرية المحتملة للتطبيق.

البروتوكول التجريبي المقدمة في هذا العمل صمم عمدا لتوفير إجراء تقييم الخاصة بالتطبيق المطورة حديثا لنا النماذج التي تستند إلى تكنولوجيا "محول طاقة" الموجات فوق الصوتية ميكروماتشينيد بالسعة (كموت) فيما يتصل بالتحقيق تصوير الدماغ.

البروتوكول يجمع بين استخدام الدماغ البقري ثابتة في الفورمالين كهدف التصوير، مما يضمن الواقعية والتكرار للإجراءات الموصوفة، وتقنيات نيورونافيجيشن التي اقترضت من جراحة الأعصاب. في الواقع متصل المسبار الأمريكي اقتراحا تتبع النظام الذي يكتسب وضع البيانات ويمكن تراكب صور الولايات المتحدة إلى مرجع صور "الرنين المغناطيسي" (السيد) في الدماغ. وهذا يوفر وسيلة للبشرية من الخبراء لإجراء تقييم نوعي بصرية المسبار الأمريكي التصوير الأداء ومقارنة المقتنيات بتحقيقات مختلفة. وعلاوة على ذلك، يعتمد البروتوكول على استخدام نظام البحث والتطوير كاملة ومفتوحة لاقتناء صورة الولايات المتحدة، أي الماسح الضوئي "بالموجات فوق الصوتية المتقدمة فتح منصة" (العلا-OP).

المخطوطة يصف بالتفصيل بالصكوك والإجراءات التي تنطوي عليها البروتوكول، لا سيما للمعايرة، والحصول على الصور وتسجيل الصور الولايات المتحدة والسيد. النتائج التي تم الحصول عليها إثبات فعالية البروتوكول العام قدم، وهو فتح تماما (في حدود الأجهزة المعنية)، قابل للتكرار، وتغطي مجموعة كاملة من الأنشطة اقتناء وتجهيز الصور الولايات المتحدة.

Introduction

السوق المتزايدة للماسحات الضوئية فوق الصوتية المحمولة والصغيرة (الولايات المتحدة) وتؤدي إلى تطوير المجسات اتشوجرافيك جديدة في أي جزء من إشارة-تكييف و beamforming إدماج الإلكترونيات في التعامل مع التحقيق، خاصة بالنسبة للتصوير 3D/4d 1-تشمل التكنولوجيات الناشئة خاصة مناسبة لتحقيق هذا المستوى العالي من التكامل "ميكروماتشينيد محولات الطاقة" بالموجات فوق الصوتية (MUTs)2، فئة من محولات الطاقة نظام الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) ملفقة على السليكون. على وجه الخصوص، MUTs سعوية (كموتس) وصلت أخيرا نضج التكنولوجي الذي يجعلها بديلاً صالحاً لمحولات الطاقة كهرضغطية المقبل توليد الموجات فوق الصوتية تصوير النظم3. كموتس جذابة جداً نظراً لتوافقها مع تكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة، واسعة النطاق الترددي-التي تعطي دقة صورة أعلى-الكفاءة الحرارية العالية، وفوق كل شيء، حساسية عالية4. في سياق المشروع ENIAC جو دينيكور (أجهزة نيوروكونترول ونيوروريهابيليتاتيون)5، يجري تحقيقات كموت المتقدمة6 للدماغ الأمريكي التصوير التطبيقات (مثل جراحة الأعصاب)، حيث عالية الجودة الصور 2D/3D/4 د و تمثيل دقيق لهياكل الدماغ المطلوبة.

في عملية التنمية من جديد الولايات المتحدة تحقيقات، إمكانية إجراء تقييمات مبكرة للتصوير الأداء الأساسية. تقنيات التقييم نموذجية تنطوي على قياس البارامترات المحددة مثل القرار، وعلى النقيض، استناداً إلى صور من محاكاة الأنسجة أشباح مع الأهداف جزءا لا يتجزأ من الهندسة المعروفة واتشوجينيسيتي. تحليل أكثر واقعية مع أهداف التصوير الخاصة بالتطبيق يمكن أن يكون قيماً للغاية لإجراء تقييم مبكر للأداء المتوقع لتحقيقات الولايات المتحدة في إمكانية تطبيقها على حقل سريرية محددة. من ناحية أخرى، التكرار الكامل المقتنيات الأساسية لاختبار المقارنة لتكوينات مختلفة على مر الزمن، وهذا الشرط يستبعد في فيفو التجارب تماما.

عدة أعمال في الأدبيات المتعلقة بتقنيات التصوير التشخيصي اقترح الاستخدام السابقين فيفو العينات الحيوانية7، جثة العقول8، أو الأنسجة محاكاة أشباح9 10من الأغراض المختلفة، التي تشمل اختبار أساليب التصوير أو خوارزميات التسجيل، وتسلسل "الرنين المغناطيسي" (MR) أو الشعاع-نمط الولايات المتحدة وتؤدي إلى جودة الصورة. على سبيل المثال، في سياق تصوير الدماغ، لازيبنيك et al. 7 استخدام المخ الأغنام الفورمالين--الثابتة لتقييم أسلوب تسجيل السيد 3D جديدة؛ وبالمثل، تشوي et al. 11 التحقيق إجراء لتسجيل السيد وصور مجهرية الخفيفة من دماغ القرد البومه الثابتة. وضعت في9 دماغ الكحول البولي فينيل (PVA) وهمية واستخدامها لأداء المقتنيات الصورة المتعدد الوسائط (أي السيد، الولايات المتحدة، والتصوير المقطعي بحسابها) لإنشاء dataset صورة مشتركة12 للاختبار لتسجيل و خوارزميات التصوير.

عموما، وهذه الدراسات تؤكد أن استخدام هدفا واقعيا لاقتناء الصورة في الواقع خطوة أساسية أثناء تطوير تقنية التصوير الجديدة. وهذا يمثل مرحلة أكثر أهمية عند تصميم جهاز تصوير جديد، مثل التحقيق "كمات لنا" المعروضة في هذه الورقة، التي لا تزال في مرحلة النماذج ويحتاج إلى اختبارات واسعة النطاق واستنساخه على مر الزمن، لضبط دقيق لتصميم جميع المعلمات قبل أن التحقيق النهائي وإمكانية التحقق من صحة في التطبيقات في فيفو (كما هو الحال في13،،من1415).

قد صمم البروتوكول التجريبي المبين في هذا العمل وبالتالي إلى توفير إجراء تقييم تصوير قوية، الخاصة بالتطبيق لتحقيقات الولايات المتحدة المطورة حديثا على أساس تكنولوجيا كمات. لضمان كل من الواقعية والتكرار، البقري اختيرت العقول (التي تم الحصول عليها من خلال سلسلة الإمدادات الغذائية التجارية القياسية) ثابتة في الفورمالين كالتصوير الأهداف. إجراء التثبيت على ضمانات طويلة الأجل الحفاظ على خصائص الأنسجة مع الاحتفاظ بخصائص الرؤية في كل من الولايات المتحدة والسيد التصوير16،17والصفات المورفولوجية مرضية.

البروتوكول المتعلق بتقييم جودة الصورة الأميركية الموصوفة هنا أيضا ينفذ سمة اقترضت من نيورونافيجيشن التقنيات المستخدمة لجراحة الأعصاب15. في مثل هذا النهج، ترتبط تحقيقات الولايات المتحدة إلى اقتراح تتبع نظام يوفر الموقف المكاني واتجاه البيانات في الوقت الحقيقي. بهذه الطريقة، يمكن تلقائياً تسجيل الصور الولايات المتحدة المكتسبة خلال الأنشطة الجراحية وتصور للتوجيه، في التراكب إلى صور السيد بريوبيراتوري من الدماغ للمريض. لأغراض البروتوكول المقدم، التراكب مع صور السيد (والتي تعتبر بمثابة معيار الذهب في تصوير الدماغ) ذات قيمة كبيرة، نظراً لأنه يسمح للخبراء البشرية لتقييم بصريا المورفولوجية وميزات النسيج يتم التعرف عليها في صور الولايات المتحدة، والعكس بالعكس، الاعتراف بوجود تصوير القطع الأثرية.

إمكانية مقارنة الصور المكتسبة مع مختلف الولايات المتحدة تحقيقات يصبح حتى أكثر إثارة للاهتمام. ويشمل البروتوكول التجريبي قدم إمكانية تحديد مجموعة ليشكل المرجعية المكانية لامتلاك الولايات المتحدة، وركزت على المناطق الأكثر ميزة الغنية وحدة التخزين المحددة في عملية تفتيش بصرية أولية لصور السيد. أداة بصرية متكاملة، وضعت برافو مفتوحة المصدر برمجيات نظام18، يوفر التوجيه لمشغلي لمطابقة هذه يطرح مسبقاً خلال مراحل اكتساب صورة الولايات المتحدة. لمعايرة الإجراءات المطلوبة بموجب البروتوكول، من الأمور الأساسية تزويد جميع العينات المستهدفة-أما بيولوجية أو الاصطناعية-معالم موقف المعرفة مسبقاً التي توفر الإشارات المكانية لا لبس فيها. يجب أن تكون هذه معالم مرئية في كل من الولايات المتحدة والسيد الصور وموجودا فعلياً للقياسات مع اقتراح نظام تتبع. العناصر التاريخية المختارة للتجربة هي مجالات صغيرة من الزجاج فلينت، أثبتت في الأدب19 الذين الرؤية في كلا من الولايات المتحدة والسيد الصور وأكده مسح الولايات المتحدة والسيد أولية قبل التجارب التي عرضت.

البروتوكول المعروضة تعتمد على "الموجات فوق الصوتية المتقدمة فتح منصة" (العلا-OP)20، كاملة ومفتوحة للبحث وتطوير نظام لنا الحصول على الصور، مما يوفر كثير الإمكانيات التجريبية على نطاق أوسع من الناحية التجارية المتاحة الماسحات الضوئية ويخدم كأساس مشترك لتقييم مختلف الولايات المتحدة تحقيقات.

أولاً، يرد وصف الأدوات المستخدمة في هذا العمل، مع الإشارة بصفة خاصة إلى المسبار كمات المصممة حديثا. البروتوكول التجريبي مقدمةوعرض بالتفصيل، مع وصف دقيق لجميع الإجراءات التي تنطوي عليها، من التصميم الأولى لمعايرة النظام، للحصول على الصور، ومرحلة ما بعد المعالجة. وأخيراً، يتم عرض الصور التي تم الحصول عليها ومناقشة النتائج، جنبا إلى جنب مع تلميحات للتطورات المستقبلية لهذا العمل.

الأجهزة

نموذج مسبار كموت

التجارب التي أجريت باستخدام المطورة حديثا 256-عنصر كمات صفيف خطي نموذج أولى، مصممة، وملفقة، ومعبأة في مختبر أكوستويليكترونيكس (أكولاب) من جامعة ترى الغجر (روما، إيطاليا)، (كمات عكس عملية التصنيع باستخدام طلب تقديم العروض)4. طلب تقديم العروض ميكروفابريكيشن والتغليف التكنولوجيا، تصور على وجه التحديد لتحقيق ممس محولات الطاقة بالنسبة لنا التصوير التطبيقات، حيث مختلق المجهرية كمات يلي السليكون "رأسا" النهج21. بالمقارنة مع غيرها من التكنولوجيات تلفيق كمات، غلة طلب تقديم العروض لتحسين الأداء التصوير نظراً لتجانس عالية لهندسة الخلايا كمات عبر الصفيف بأكمله، وإلى استخدام المواد المهندسة سمعيا في حزمة رئيس التحقيق. من السمات هامة لطلب تقديم العروض هو أن منصات الربط الكهربائية الموجودة على الجزء الخلفي من يموت كمات، مما يخفف 3D-تكامل صفائف ثنائية الأبعاد والواجهة الأمامية للإلكترونيات متعدد القنوات.

256-عنصر الصفيف كموت صممت لتعمل في نطاق تردد تركزت على 7.5 ميغاهرتز. أرض الملعب عنصر من 200 مليميكرون اختيرت للمصفوفة الناتجة في عرض الحقل لعرض الحد أقصى من 51.2 مم. تم تعريف ارتفاع عناصر الصفيف كمات واحد لتحقيق أداء مناسب من حيث القرار الأفقي والقدرة على الاختراق. واختير ارتفاع عنصر صفيف 5 مم من أجل الحصول على عرض حزمة-3 dB 0.1 ملم وعمق-3 dB التركيز من 1.8 مم في 7.5 ميغاهرتز، عند تحديد ارتفاع التركيز على عمق 18 ملم عن طريق عدسة صوتية. تم الحصول على عناصر الصفيف على صعيد ميكرومتر 195 بترتيب ويربط كهربائياً في الخلايا كمات دائرية 344 موازية، بعد تخطيط سداسية. ونتيجة لذلك، يطابق الناتج 5 ميكرومتر عنصر إلى عنصر المسافة، أي الشق، فصل الغشاء للغشاء. ويقال تمثيل تخطيطي للهيكل لمجموعة كمات في الشكل 1.

Figure 1
رقم 1: بنية صفيف كمات. التمثيل التخطيطي للهيكل لمجموعة كمات: صفيف عناصر مكونة من عدة خلايا متصلة بالتوازي (أ)، تخطيط كمات المجهرية (ب)؛ مقطع عرضي لخلية كمات (ج). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

كموت ميكروفابريكيشن المعلمات، أي الجانبية والأبعاد العمودية للوحة واقطاب، تم تعريف استخدام المحاكاة نمذجة العناصر المحدودة (FEM) بهدف تحقيق عملية غمر ذات النطاق العريض، وتتميز استجابة التردد تركزت على 7.5 ميغاهرتز و 100%-6 dB اتجاهين كسرى عرض النطاق ترددي. تم تعريف ارتفاع التجويف، أي أن الفجوة، لتحقيق انهيار جهد من 260 الخامس لتعظيم حساسية ذات اتجاهين، من يتحامل كمات في 70 في المائة من الجهد انهيار4، نظراً جهد إشارة إثارة قصوى الخامس 80. ويلخص الجدول 1 أهم معالم هندسية ميكروفابريكاتيد كمات.

كمات صفيف المعلمات التصميم
المعلمة القيمة
الصفيف
عدد العناصر 256
عنصر في الملعب 200 ميكرومتر
عنصر الطول (الارتفاع) 5 مم
ارتفاع ثابت التركيز 15 ملم
كموت المجهرية
قطر الخلية 50 ميكرومتر
القطر القطب 34 ميكرومتر
المسافة الجانبية خلية إلى خلية 7.5 ميكرومتر
سمك اللوح 2.5 ميكرون
ارتفاع الفجوة 0.25 ميكرومتر

الجدول 1. معلمات مسبار كمات. معلمات هندسية من كمات الخطي مجموعة التحقيق وكمات الخلية المجهرية.

يتم وصف عملية التغليف المستخدمة لدمج الصفيف كمات في رأس مسبار في مرجع4. كانت مختلقة العدسة الصوتية باستخدام مطاط سيليكون مبركن غير الأغراض حرارة الغرفة (محطة إذاعة وتليفزيون) يخدر مع معدن-أكسيد الألومنيوم المساحيق لتطابق مقاومة الصوتية للمياه وتجنب انعكاسات زائفة في واجهة22. تميزت بالمجمع الناتج بكثافة من 1280 كجم/م3 وسرعة الصوت من 1100 m/s. واختير نصف قطر انحناء 7 ملم لعدسة أسطوانية، مما يؤدي إلى تركيز بشكل هندسي من 18 ملم وسمك الحد أقصى من حوالي 0.5 مم فوق سطح محول طاقة. صورة لرئيس التحقيق كموت يرد في الشكل 2(أ).

Figure 2
رقم 2: مسبار كموت. رئيس التحقيق كموت المتقدمة، بما في ذلك الصفيف الخطي لمحولات الطاقة وعدسة الصوتية (أ)، ومسبار كموت كامل مع موصل (ب). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

واقترن رئيس التحقيق كموت للتعامل مع التحقيق الذي يحتوي على استقبال الأقنية التناظرية الواجهة الأمامية الإلكترونيات وكابل متعدد الأقطاب للاتصال بالماسح الضوئي الولايات المتحدة. الدوائر الإلكترونية قناة واحدة هو 9 dB مكسب إدخال-مقاومة عالية مضخم جهد الذي يوفر الكهربائية اللازمة الحالية لحملة مقاومة الكابل. إلكترونيات متعددة القنوات، الموصوفة في مرجع 4، يستند على طبولوجيا دوائر بما في ذلك جهاز استقبال فائقة منخفضة الطاقة منخفضة الضوضاء ورمز تبديل متكاملة للوجهين إشارة الإرسال/التلقي. الواجهة الأمامية للإلكترونيات وحدة الإمداد بالطاقة والجهد التحيز كمات المتولدة عن وحدة إمداد طاقة مخصصة وتغذية للتحقيق من خلال كابل متعدد الأقطاب. ويبين الشكل 2(ب)التحقيق الكامل.

كهرضغطية الولايات المتحدة تحقيقات

لمقارنة نوعية الصور التي تم الحصول عليها مع المسبار كماتأعلاه، شملت اثنين من تحقيقات الولايات المتحدة كهرضغطية المتاحة تجارياً في التجارب. الأول تحقيق الخطي الصفيف مع 192 ترانسدوسينج العناصر والملعب ميكرومتر 245 وعرض النطاق ترددي كسرى 110% تتركز في 8 ميغاهرتز. تم استخدام هذا التحقيق لاكتساب 2D ب-وضع الصور. التحقيق الثاني تحقيق لتصوير ثلاثي الأبعاد مع مجموعة خطي اجتاحت ميكانيكيا من 180 ترانسدوسينج العناصر، مع درجة ميكرومتر 245 وعرض النطاق ترددي 100% كسور تركزت في 8.5 ميجا هرتز. وضع محرك السائر داخل التحقيق الإسكان تمكن تجتاح الصفيف الخطية للحصول على طائرات متعددة، التي يمكن استخدامها لإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد ل تفحص المجلد23.

نظام العلا-البروتوكول الاختياري

الحصول على الصور الولايات المتحدة نفذت عن طريق استخدام البروتوكول الاختياري للعلا النظام20، الذي كاملة ومفتوحة نظام الولايات المتحدة للبحث والتنمية، مصممة، وأدركت في "مختبر تصميم أنظمة الإلكترونيات الدقيقة" من جامعة فلورنسا، إيطاليا. التحكم منظومة العلا-البروتوكول الاختياري، سواء في الإرسال (TX) والاستقبال (RX)، ما يصل إلى 64 قنوات مستقلة متصلة من خلال مصفوفة تبديل مسبار أمريكي مع تصل إلى 192 كهرضغطية أو كمات محولات الطاقة. نظام الهندسة المعمارية ميزات معالجة الرئيسي المجلسين، مجلس تمثيلي (AB) والرقمية المجلس (الديسيبل)، سواء الواردة في رف، التي أكملت هيئة إمدادات الطاقة ومجلس الطائرة الخلفي الذي يحتوي على موصل التحقيق وتوجيه جميع الداخلية مكونات. AB يحتوي على الواجهة الأمامية لمحولات التحقيق، وبخاصة المكونات الإلكترونية التناظرية تكييف قنوات 64 ومصفوفة التبديل القابلة للبرمجة التي خرائط القنوات TX RX ديناميكياً لمحولات الطاقة. الديسيبل المسؤول عن beamforming في الوقت الحقيقي، توليف إشارات تكساس وتجهيز RX أصداء لإنتاج الناتج المرغوب فيه (على سبيل المثال ب-وضع صور أو سونوجرامس دوبلر). يجدر تسليط الضوء على أن النظام العلا-OP شكلي تماما، ومن ثم يمكن الإشارة في تكساس أي الموجي التعسفي داخل نظام عرض النطاق الترددي (مثل البقول ثلاثة مستويات، رشقات نارية جيب، تغرد، رموز هوفمان، إلخ) بحد أقصى السعة للصوت 180؛ وبالإضافة إلى ذلك، يمكن برمجة استراتيجية beamforming وفقا لأنماط أحدث التركيز (مثلاً ركزت الموجه، متعددة بعد انتقال سطر موجه الطائرة، متباينة موجات وأشعة حيود محدودة، إلخ)24،25 . على مستوى الأجهزة، يتم مشاركة هذه المهام بين خمس صفائف البوابة القابلة للبرمجة من الحقل (FPGAs) وواحدة من معالج الإشارات الرقمية (DSP). مع 3D اجتاحت ميكانيكيا التصوير المسابير، مثل تلك المذكورة أعلاه، يتحكم النظام العلا-البروتوكول الاختياري أيضا المحرك السائر داخل التحقيق، لشراء إطارات 2D الفردية في كل موضع من الصفيف محول طاقة متزامنة.

ويمكن إعادة تكوين وقت التشغيل النظام العلا-البروتوكول الاختياري وتكييفها لمختلف الولايات المتحدة تحقيقات. فإنه يتصل من خلال قناة USB 2.0 مع كمبيوتر مضيف، مجهزة بأداة برمجية محددة. هذا الأخير وقد واجهة رسومية لتكوين الذي يوفر في الوقت الحقيقي التصور الصور الولايات المتحدة، أعيد بناؤها في أوضاع مختلفة؛ مع تحقيقات الحجمي، على سبيل المثال، يمكن عرض الصور ب-وضع اثنين من الطائرات العمودية في حجم الممسوحة ضوئياً في الوقت الحقيقي.

والميزة الرئيسية لنظام العلا-البروتوكول الاختياري للأغراض البروتوكول وصف هو أنها تسمح ضبط سهلة للمعلمات TX RX، ويوفر إمكانية الوصول الكامل إلى إشارة البيانات المجمعة في كل خطوة في تجهيز سلسلة26، كما تجعل من الممكن لاختبار طرائق جديدة للتصوير و beamforming تقنيات27،،من2829،30،31،،من3233.

نظام تتبع الحركة

أن سجل الولايات المتحدة التحقيق الموقف أثناء الحصول على الصور، حركة بصرية تتبع نظام العاملين34. النظام يقوم على وحدة استشعار التي تنبعث الأشعة تحت الحمراء عبر الأضواء اثنين (الضوء التي تنبعث منها الثنائيات (LEDs)) ويستخدم جهازي استقبال (أي عدسة وجهاز اقتران (CCD)) للكشف عن الضوء تعكسه متعددة محددة الغرض السلبي علامات مرتبة في الأشكال الجامدة المحددة مسبقاً. ثم تتم معالجة المعلومات حول الضوء المنعكس من وحدة المعالجة المركزية على متن الطائرات لحساب بيانات الموقف والتوجه، التي يمكن نقلها إلى جهاز كمبيوتر مضيف متصل عبر USB 2.0. يمكن استخدام نفس الارتباط للتحكم في تكوين وحدة الاستشعار.

وحدة استشعار السفن جنبا إلى جنب مع مجموعة من الأدوات، بعضها يتمتع بأربع علامات عاكسة مرتبة في تكوين هندسية جامدة. يمكن تتبع تتبع نظام الحركة أدوات صلبة متميزة تصل إلى ستة في وقت واحد، في وتيرة عمل لما يقرب من 20 هرتز. واستخدمت اثنين من هذه الأدوات لهذه التجارب: أداة مؤشر، الذي يتيح الحصول على موقف 3D لمست من طرفها، وأداة مجهزة بالمشبك، يمكن إرفاق المسبار الأمريكي تحت الاختبار (انظر الشكل 14).

على الجانب البرمجيات، ميزات تعقب الحركة ذات المستوى منخفض مسلسل برمجة واجهة تطبيق (API) الحصول على كل وحدة التحكم والبيانات، التي يمكن الوصول إليها عن طريق USB. بشكل افتراضي، موقف وتوجهات يتم إرجاعها كدخول متعدد العناصر، أي إدخال واحد لكل أداة يجري تعقب. يتضمن كل إدخال موقف ثلاثية الأبعاد (x, y, z) أعرب في ملم وتوجه (س0، سس، سص، سz) معبراً عنه الكواتيرنيون. كما يأتي هذا النظام مع مجموعة أدوات أدوات البرمجيات ذات مستوى أعلى، الذي يتضمن أداة تتبع رسومية لتصور وقياس في الوقت الحقيقي للمواقف/توجهات أدوات متعددة داخل مجال الرؤية لوحدة الاستشعار.

مكونات نظام لمحة عامة، والتكامل، والبرمجيات

ويلخص الرسم التخطيطي في الشكل 3 الأجهزة المعتمدة للبروتوكول، كما تصف دفق البيانات التي تتدفق عبر النظم.

Figure 3
الشكل 3: رسم تخطيطي للكتل تكامل النظام وإعداد الأجهزة كلها. المسبار الأميركي متصل بنظام العلا-البروتوكول الاختياري الذي يتصل عبر USB مع الكمبيوتر المحمول للحصول على صورة الولايات المتحدة. في الوقت نفسه، يرتبط دفتر الملاحظات أيضا عن طريق الناقل التسلسلي العام للحركة تتبع النظام، للحصول على البيانات الموقف، وعبر شبكة إيثرنت على محطة العمل، لمعالجة البيانات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

وبصرف النظر عن التحقيقات الأميركية وتعقب الحركة والنظام العلا-البروتوكول الاختياري، التي تم وصفها أعلاه، يتضمن الإعداد أيضا جهازي، أي جهاز كمبيوتر محمول ومحطة عمل. السابق هو الواجهة الأمامية للأجهزة، تلقي ومزامنة دفق البيانات الواردة اثنين الرئيسية الرئيسية: الصور الولايات المتحدة قادمة من نظام البروتوكول الاختياري للعلا و 3D البيانات من تعقب الحركة لتحديد المواقع. كما يوفر ملاحظات بصرية للمشغل للصور التي يتم تحصيلها. محطة العمل لديه القدرة والسلطة، وتخزين الحسابية أعلى بكثير. فإنه يوفر الدعم الخلفي لتجهيز الصور ومستودع لتصوير مجموعات البيانات المجمعة. يتم أيضا استخدام محطة العملللتصور من الولايات المتحدة والسيد الصور، بما في ذلك إمكانية التصور 3D المتزامن من الصور المتعددة الوسائط المسجلة.

هو شرط حاسم للتجارب اقتناء الصورة تزامن دفق البيانات الرئيسية اثنين. تتبع الحركة ونظم العلا-البروتوكول الاختياري هي الصكوك المستقلة التي لا تدعم بعد إجراء مزامنة صريحة للأنشطة. ونتيجة لهذا، تحتاج إلى معلومات البيانات ووضع صورة الولايات المتحدة لتكون مجتمعة بشكل صحيح للكشف عن الموضع الصحيح 3D المسبار الأميركي في وقت كان الحصول على كل شريحة صورة. ولهذا الغرض، وضعت تطبيق تسجيل دخول محددة للتسجيل والطابع الزمني في الوقت الحقيقي البيانات المقدمة من الحركة تتبع النظام، عن طريق تعديل مكون برنامج c + + المضمنة، وفي هذه الحالة، في تعقب الحركة نفسها. بشكل عام، تتميز نظم تتبع حركة API ذات المستوى منخفض التي تتيح التقاط البيانات في الوقت الحقيقي، ونسخ منها إلى ملف.

يعمل أسلوب المزامنة المعتمدة على النحو التالي. كل إدخال في ملف تطبيق تسجيل الدخول التي تنتجها هو زيادة مع طابع زمني في تنسيق "yyyy-MM-ddThh:mm:ss.kkk"، حيث: ص = سنة، M = الشهر، د = اليوم، ح = ساعة، م = s دقيقة، = ك الثانية، = ميلي ثانية. البرامج المستندة إلى "الكمبيوتر" العلا-OP (لغات البرمجة c + + و MATLAB) يحسب بدء وانتهاء الوقت لكل تسلسل اقتناء الصور ويقوم بتخزين هذه المعلومات في كل صورة بتنسيق.vtk. لتوفير مرجع زمنية مشتركة أثناء التجارب، يتم تنفيذ كل الإجراءات البرامج المذكورة أعلاه على الكمبيوتر الواجهة الأمامية في الشكل 3. ثم يتم استخدام الطوابع الزمنية التي أنتجت في هذا السبيل بإجراءات تجهيز البرمجيات التي تنتج مجموعة البيانات النهائية (انظر البروتوكول، القسم 8).

عنصر آخر من عناصر برامج محددة تتحقق وتشغيل على محطة العمل لتوفير التغذية المرتدة في الوقت الحقيقي للمشغل، بذات الصلة الحالية الولايات المتحدة التحقيق في موقف السيد الصور، وعلى وجه الخصوص، إلى المجموعة من يطرح المعرفة مسبقاً. روتين برامج الخادم في بايثون عمليات الملف سجل تعقب الحركة، ويترجم حاليا الولايات المتحدة التحقيق الموقف في شكل هندسي، ويرسل البيانات إلى ملقم برافو. يتصل عميل برافو على نفس الملقم برافو ويعرض في الوقت الحقيقي وضع الشكل الهندسي، فرضه على صورة السيد وإلى المزيد من أشكال هندسية تصف يطرح المعرفة مسبقاً. ويرد مثال على التصور في الوقت الحقيقي الناجم عن ذلك في الشكل 17.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

جميع العينات البيولوجية التي تظهر في هذا الفيديو تم الحصول عليها من خلال سلسلة الإمدادات الغذائية القياسية. تم علاج هذه العينات وفقا للقواعد الأخلاقية وسلامة المؤسسات المعنية-

ملاحظة: الرسم البياني في الشكل 4 يلخص المراحل الرئيسية 8 من هذا البروتوكول. المراحل 1 إلى 4 تنطوي الأنشطة الأولية، وتنفذ مرة واحدة فقط قبل بداية الولايات المتحدة صورة اقتناء وتجهيز المراحل. وهذه المراحل الأولى كما يلي: 1-التصميم الأولى للإعداد التجريبية وشبح أجار (لاستخدامها في معايرة الإجراءات)؛ 2) إعداد السابقين فيفو الدماغ البقري؛ 3-الحصول على صور السيد المخ؛ 4-تعريف يطرح النوعي لاستخدامها كهدف للولايات المتحدة الحصول على الصور. مراحل 5 إلى 8 تتعلق باقتناء وتجهيز الصور الولايات المتحدة. وهذه المراحل: 5-الإعداد التجريبية، التي ترتبط جميع الصكوك والمتكاملة، ووضع جميع الأهداف والتحقق منها؛ 6-معايرة المسبار الأمريكي مزودة بعلامات سلبية للملاحة؛ 7-اقتناء الصور الولايات المتحدة الدماغ البقري مغمورة في المياه، سواء في يطرح المعرفة مسبقاً وفي " modeŔ يدوي 8-مرحلة ما بعد المعالجة والتصور للسيد مجتمعة/صورة الولايات المتحدة dataset. بينما يمكن إجراء المرحلة 5 مرة واحدة فقط في بداية الأنشطة التجريبية، يجب تكرار المراحل 6 و 7 الواحد المسبار الأمريكي كل المعنيين. يمكن تنفيذ الخطوة 8 مرة واحدة فقط في dataset مجتمعة كاملة، عند اكتمال جميع المقتنيات.

Figure 4
4 الرقم : سير عمل البروتوكول التجريبي. رسم تخطيطي للكتل يوضح الخطوات الرئيسية للبروتوكول، بما في ذلك قائمة بالعمليات الرئيسية في كل خطوة. الخطوات 1-5 تشمل الأنشطة الأولية وإعداد برنامج الإعداد بالنسبة لنا الشراء؛ وبالتالي، فإن تنفذ مرة واحدة فقط. إشراك الولايات المتحدة امتلاك المراحل 6 و 7 ويجب أن يتكرر لكل التحقيقات. الخطوة 8، وهي صورة مرحلة ما بعد المعالجة، يمكن أن يؤديها مرة واحدة فقط في النهاية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

1-التصميم الأولية

  1. التصميم والتحقق من المواقع التاريخية
    ملاحظة: الإجراء التالي يحدد استراتيجية متسقة لتحديد المواقع للمعالم، لاستخدامها للمعايرة تتبع النظام المذكور في المادة 6 الحركة.
    1. إعداد عارضة أزياء رئيس البوليستيرين بالاستغناء عن شكل تقريبا مماثلة لتلك التي الدماغ البقري (الطول = 180 ملم، العرض = 144 ملم، الطول = 84 ملم) باستخدام سكين.
      2. المخ
    2. 6 إدراج أنماط 3 مجالات الزجاج فلينت (3 مم) إلى البوليستيرين، رتبت في القمم مثلث متساوي الأضلاع مع الجانب من حوالي 15 ملم، وليس أبعد من 1 مم من السطح الخارجي (انظر الرقم 5 ).
    3. الاتصال اقتراح نظام تتبع لأجهزة الكمبيوتر المحمول عن طريق USB. افتح أداة التتبع والبدء في تتبع الحركة والتحقق من أن عند لمس مجالات الزجاج في الدماغ البوليستيرين، لا تزال أداة المؤشر داخل مجال الرؤية التعقب، للتحقق من وضوح الرؤية وإمكانية الوصول الفعال أثناء التجارب.

Figure 5
الرقم 5 : نموذج البوليستيرين الدماغ المستخدمة أثناء مرحلة التصميم الأولية. رئيس عارضة أزياء البوليستيرين، قص بشكل صحيح لتقليد أبعاد الدماغ البقري، استخدمت لاختيار الموضع من أنماط المجال الزجاج في الدماغ. أنماط الثلاثي ستة مجالات، يبلغ قطرها 3 مم، قد تم زرعها في نموذج البوليستيرين كما هو موضح في الصورة، أي ثلاثة أنماط على الحق وثلاثة في نصفي الكرة الأرضية الدماغ الأيسر. < href="//ecsource.jove.com/files/ftp_ upload/55798/55798fig5large.jpg "الهدف =" _blank "> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. أجار فانتوم إعداد
    ملاحظة: تسمح هذه الخطوات لإعداد فانتوم أجار المصنوعة في المختبرات لاستخدامها لمعايرة الإجراءات (6.1 القسم).
    1. في كوب، تمييع 100 غرام من الغليسيرين و 30 غ من أجار في 870 جم من الماء المقطر. يحرك الخليط، مع زيادة في درجة حرارة تصل إلى 90 درجة مئوية، 10-15 دقيقة لصب الخليط لملء 13 × 10 × 10 سم الأغذية الحاوية والاحتفاظ به في الثلاجة لمدة يوم واحد على الأقل.
    2. إزالة شبح أجار من الثلاجة. لون 6 مجالات الزجاج مع مينا أصفر (لرؤية أفضل) وإدراج أنماط 2 3 الزجاج المجالات كل في أجار الوهمية (أي واحدة كل جانب كبير من الكتلة)، ليس بعيداً عن السطح من 1 ملم ( الشكل 6).
    3. للحفاظ عليها عندما لا تكون قيد الاستعمال، تزج الوهمية أجار في إيجاد حل للماء وكلوريد بنزالكونيوم، استخدام حاوية مختومة الطعام بلاستيكية، والاحتفاظ به في الثلاجة.

Figure 6
الرقم 6 : فانتوم أجار. ويوضح الشكل الوهمية أجار، الذي نمط مزروع ثلاثة مجالات الزجاج مطلية باللون الأصفر (المشار إليها بواسطة السهام السوداء) مرئية بوضوح في الحافة السفلية. أيضا يظهر تلميح أداة المؤشر، المستخدمة لقياس مواقف المجال أثناء مرحلة المعايرة، قرب الوهمية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

2-الدماغ البقري إعداد وتثبيت

  1. الحصول على السابقين فيفو البقري الدماغ من الغذاء القياسية سلسلة التوريد. نقله على الجليد (للمحافظة). بشكل عام، كما هو الحال في هذه القضية، الدماغ السابقين فيفو متوفراً بعد قد أزيلت من الحيوان.
    2. إزالة الدماغ من الجليد
  2. ووضعه في هود يسفط. يبقيه في الغطاء لخطوات الإعداد اللاحقة. عزل في نصفي الكرة الدماغي، بالفصل بين المخيخ وجذع الدماغ ميسينسيفالون، بونس، مع شفرة جراحية، قطع من خلال الهياكل على السطح البطني للدماغ.
  3. استخدام عارضة أزياء البوليستيرين كمرجع لتحديد المواقع، وزرع أنماط الثلاثي 6 مجالات 3 كل في القشرة الأمامية، الزمانية والفصوص القفوية. ضمان استيفاء شروط محددة مسبقاً (أي مسافات من على سطح الأرض وبين المجالات). للرؤية، ووضع علامة على مواقف جميع المجالات في الدماغ السطحية مع أنسجة خضراء وسم صبغ لعلم الأنسجة ( الشكل 7).
  4. تزج الدماغ في 10% مخزنة الحل الفورمالين. استخدام وعاء من بلاستيك للأجزاء التشريحية ( الشكل 8). ترك الدماغ في الحاوية مع الفورمالين لمدة على الأقل 3 أسابيع، حتى يتم إكمال عملية التثبيت.
    تنبيه: الفورمالين هي مادة كيميائية سامة، ويجب التعامل معها بحذر؛ لوائح محددة قد تنطبق أيضا، وعلى سبيل المثال "لنا OSHA معيار 1910.1048 حوالي ألف"

Figure 7
7 الرقم : إعداد الدماغ البقري و غرس مجالات الزجاج. الدماغ البقري هو أعدها خبراء من الطبيب الشرعي بإزالة الأجزاء التشريحية في الزائدة وغرس أنماط المجال الزجاج، ثم استناداً إلى التكوين المصممة مسبقاً (أ). وتتميز مواقف المجال ثم مع صبغة خضراء على سطح الدماغ (ب). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
8 الشكل : التثبيت الدماغ البقري في الفورمالين- الدماغ البقري مع مجالات الزجاج مزروع مغمور في محلول فورمالين 10% مخزنة داخل وعاء من بلاستيك للأجزاء التشريحية (أ). وبعد فترة على الأقل 3 أسابيع، عملية التثبيت الكامل (ب) ويمكن استخدام الدماغ لاقتناء الصور. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

3-اكتساب صورة السيد

  1. استخراج المخ من حل الفورمالين، والمياه والصرف الصحي في المياه بين عشية وضحاها، وضعه في حاوية بلاستيكية نظيفة، وختم عليه.
  2. وضع الحاوية في رأسه السيد لفائف ووضعه في الماسح الضوئي MR.
    3. السيد
  3. إجراء فحص استخدام ماسح ضوئي T MR 3 وهبوا لفائف 32 قناة رأس ( الشكل 9). الحصول على ثلاث مجموعات من الصور باستخدام T1، T2 وكيبك مستمر تسلسل مع قرار من 0.7x07x1 مم 3 و 0.5x0.5x1 ملم 3 ل T1/T2 وتسلسل كيبك مستمر، على التوالي. حفظ الصور السيد في DICOM الشكل باستخدام أدوات البرمجيات للماسح الضوئي MR.
  4. بعد الاستخدام، تزج الدماغ في الفورمالين 10% مخزنة مؤقتاً. نقل صور السيد المكتسبة من الماسح الضوئي السيد إلى محطة معالجة.

Figure 9
الرقم 9 : الحصول على الصور MR. يتم وضع الدماغ البقري، ومختومة في حاوية بلاستيكية نظيفة، الماسح الضوئي السيد تي 3 لاقتناء صورة السيد. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

4. تعريف يطرح النوعي لاقتناء صورة الولايات المتحدة

ملاحظة: هذا الإجراء بتعريف مجموعة من يطرح النوعية، فيما يتعلق بصور السيد، فيها رؤية مناطق الدماغ التي تحتوي على وضوح مكبر الهياكل التشريحية يمكن التعرف عليها والأنسجة المتمايزة جيدا (هذه المسألة لا سيما الأبيض والرمادي) في الولايات المتحدة الصور.

  1. فتح تنسيق الصور السيد DICOM مع أداة البرامج برافو (من الآن فصاعدا، البرمجيات التصور). لقد خبير تصور الصور كشرائح وحجم ثلاثي الأبعاد، كما هو مطلوب.
  2. تفقد كل صورة السيد في dataset تقييم رؤية الهياكل التشريحية والأنسجة (مثل الأفقي البطينين، كلثوم الإحضار، الرمادية من ganglia القاعدية).
  3. حدد المناطق المكاني ثلاثي الأبعاد من صورة السيد المرجع التي تحتوي على أفضل الميزات المرئية يمكن التعرف عليها وتعريف قطع الطائرات من الوضوح القصوى تقريبا. تحديد 12 يطرح المعرفة مسبقاً للحصول على الصور الولايات المتحدة، كل منها مجموعة كبيرة من الميزات المرئية.
  4. لكل تشكل الظاهري، استخدم " مصادر > مخروط " لإنشاء مخروط 3D كعلامة بارزة بصرية. التكيف مع كل ارتفاع المخروط إلى 40 ملم ونصف قطرها 2 مم، ويدويًا بوضع المخروط في ميدان البصرية ثلاثية الأبعاد ( الشكل 10). حفظ المعقدة من صورة السيد والمناطق 3D، وطائرات، ومعالم كملف دولة بارافيو.

Figure 10
الرقم 10 : معرفة مسبقاً يطرح لصورة الولايات المتحدة اكتساب. التقاط صور للعلامات في (أ) إظهار مواقف يطرح 12 مختارة في 3D MR صورة الإطار التوصل إلى حلول المشغل للولايات المتحدة. (ب) السيد يبين الطائرات المقابلة ليطرح المحددة؛ تمثل علامة حمراء تتحرك موقف (ممثلة في مساحة الصورة MR) المسبار الأمريكي في الوقت الحقيقي، حتى واحدة من علامات بيضاء هو الذي تم التوصل إليه وصورة الولايات المتحدة المطلوب يمكن اكتسابها من خلال النظام. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

5-الإعداد التجريبية

  1. البيئة والأهداف
    ملاحظة: يصف هذه الخطوة إعداد الإعداد والأدوات لإجراء التجارب على اكتساب الولايات المتحدة. البلاستيك
    1. موقف 50 × 50 × 30 سم دبابة على طاولة وملئه مع يطرد المياه تصل إلى ارتفاع من 15 سم. موقف الحركة تتبع النظام حتى لا يكون مرئياً من أعلاه وكلياً داخل مجال رؤيته خزان المياه ( الرقم 11 ) وتواصل تعقب الحركة لأجهزة الكمبيوتر المحمول عن طريق USB.
    2. تنفيذ الإجراء التمحور لمعايرة المؤشر باستخدام أداة تتبع الحركة تتبع نظام 34.
    3. موقف النظام العلا-البروتوكول الاختياري على الجدول وتوصيله بالكمبيوتر المحمول عن طريق USB، التأكد من أن شاشة الكمبيوتر مرئية بوضوح للمشغل المسبار الأمريكي. وضع محطة العمل على الجدول، وتأكد من أن الشاشة مرئية بوضوح للمشغل-
      4. استخراج المخ من حل الفورمالين
    4. وغسله في الماء. شل من على لوحة راتنج الاصطناعية، باستخدام شرائح من الخياطة الخيط ولاصق المشارب ( الشكل 12)-
    5. تزج اللوحة مع الدماغ في الدبابة، والتحقق من أن مساحة العمل كامل حول الدماغ يناسب داخل مجال الرؤية لتعقب الحركة، باستخدام المؤشر والبرمجيات أداة تتبع-

Figure 11
الرقم 11 : الإعداد المقتنيات تجريبية مع اقتراح نظام تتبع- تتبع جهاز استشعار الحركة يوضع فوق خزان المياه التي هي مغمورة في الدماغ البقري، حيث المستهدف والتحقيق مع علامات عاكسة فرضت تناسب تماما ضمن مجال القياس رؤيته. < href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55798/55798fig11large.jpg"الهدف ="_blank"> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 12
الشكل 12 : الموضع من الدماغ البقري في خزان المياه- الدماغ البقري معطلة على طبق من راتنج اصطناعية عن طريق اثنين من خيوط الحياكة (توضع على طول الشق الطولي) وثابت على اللوحة مع شرائط لاصقة. اللوحة والدماغ البقري ثم مغمورة في خزان المياه. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. الاتصال المسبار الأميركي وتكوين العلا-البروتوكول الاختياري لأداء عمليات التفحص.
    1. الاتصال المسبار الأمريكي بنظام العلا-OP.
    2. تكوين نظام العلا-البروتوكول الاختياري من خلال ملفات التكوين الخاصة به وواجهة البرامج من الكمبيوتر ( الشكل 13). معشق
      1. تعريف وضع الازدواج تتكون من اثنين ب-طرق توظيف اثنين ترددات التشغيل المختلفة (7 MHz و 9 ميجاهرتز). تعيين انفجار قطبين 1-دورة لكل وضع. تعيين التركيز الإرسال في عمق 25 مم والتركيز الحيوي في الاستقبال مع F #= 2 وظيفة apodization سينك.
      2. تكوين نظام لتسجيل بيامفورميد وفي المرحلة والتربيع (أنا/Q) البيانات المسترجعة.
    3. إجراء اختبارات اقتناء قليلة لضمان أوبيراتيفيتي كامل.
      1. تجميد النظام، عن طريق النقر على " تجميد " زر تبديل في البرنامج العلا-OP. تمكين وضع الحفظ التلقائي بالنقر فوق زر التبديل الذي يظهر كالأقراص المرنة ثلاثة. في النافذة المنبثقة، التي تظهر في نهاية اقتناء، اكتب اسم الملف ثم انقر فوق " حفظ ".

Figure 13
الرقم 13 : التقاط صور للإعداد التجريبية بالنسبة لنا- توصيل النظام العلا-البروتوكول الاختياري لدفتر الملاحظات وضعت بالقرب من خزان المياه، حيث أن العرض مرئية بوضوح للمشغل المسبار الأمريكي خلال عمليات الشراء. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. لقط علامات عاكسة السلبي على المسبار الأمريكي
    ملاحظة: بعد هذا الإجراء، يتم إنشاء جمعية صلبة مكونة من المسبار الأميركي وعلامات عاكسة السلبي لعمليات الشراء اللاحقة للصورة والموقف البيانات. التعامل مع
    1. البحث عن وظيفة مناسبة المشبك في المسبار الأمريكي. المشبك علامات انعكاسا سلبيا على مقبض المسبار الأمريكي ( الشكل 14).
    2. إجراء بضعة اختبارات اقتناء (راجع الخطوة 5.2.3) لضمان أن المشبك مستقرة، والعلامات واضحة للعيان بالحركة تتبع النظام، بينما يقام المسبار الأمريكي في مواقف العمل المتوقعة.

Figure 14
الرقم 14 : أداة سلبية مع مما يعكس علامات فرضت على التحقيق كهرضغطية 3D-التصوير- فرضت الأداة مع علامات بشكل صحيح وثابت على المقبض مسبار كهرضغطية 3D-التصوير، ذلك أنها تشكل الجمعية المتحدة لاستخدامها لاقتناء بيانات الصورة وموقف الولايات المتحدة في الوقت نفسه. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

6-معايرة

ملاحظة: هذا المقطع يصف الجزء التجريبي من البروتوكول الذي يقوم بجمع معلومات لحساب التحولات المطلوبة بين إطارات مرجعية مكانية مختلفة وتشارك. انظر الفرع 9 لتفاصيل رياضية حول أسلوب الحساب. تتوفر إجراءات البرمجيات في MATLAB البرمجة اللغوية للمعايرة كالمصدر المفتوح في https://bitbucket.org/unipv/denecor-transformations-

  1. "من الولايات المتحدة" صورة الإطار إلى الإطار أداة سلبية فرضت على المسبار الأمريكي
    ملاحظة: يتم استخدام إجراء المعايرة التالية لحساب التحول الجامد الذي يسمح لتعيين المواقع المكانية للولايات المتحدة صورة فوكسيلس المحلية الإطار المرجعي لأداة سلبية فرضت على التحقيق. يجب أن يتكرر كل تركيب أداة سلبية على إجراء تحقيق الولايات المتحدة. خزان
    1. موقف أجار الوهمية في الغمر الكامل داخل الماء. بدء تشغيل التطبيق تسجيل أن السجلات ضع البيانات وجمع مواقف كل من المجالات زجاج 6 في أجار الوهمية باستخدام أداة المؤشر، في حين تتبع الحركة به.
    2. الحصول على صورة الولايات المتحدة في كل نمط من المجالات 3 في أجار الوهمية ( الشكل 15) (الخطوة 5.2.3). ضع المسبار الأمريكي عبر الذراع الميكانيكية باستخدام الدالة التصور المسبق للنظام العلا-البروتوكول الاختياري، حيث يكون نمط كاملة من المجالات الثلاثة داخل مجال الرؤية. اقتناء وحفظ صورة الولايات المتحدة المقابلة.
    3. نقل جميع الصور الولايات المتحدة في شكل العلا-OP، جنبا إلى جنب مع السجل تعقب الحركة--الملفات، إلى محطة العمل.
    4. فتح كل صورة الولايات المتحدة في برنامج التصور، ووضع علامة على موضع مجالات الزجاج 3 في كل منها يدوياً، وتدوين مواقف ثلاثية الأبعاد إلى ملف.csv.
    5. حساب تحويل الولايات المتحدة إلى علامة جامدة بين اثنين من الأطر المرجعية (انظر التعليمات البرمجية المصدر المفتوح المقدمة والباب 9)-

Figure 15
الرقم 15 : الحصول على الولايات المتحدة صور لاجار الوهمية للمعايرة. المشغل تحريك المسبار الأمريكي (المسبار كموت) فوق أجار الوهمية للحصول على اثنين لنا الصور التي تحتوي على أنماط المجال المضمنة اثنين، كما هو مبين في الوقت الحقيقي من البرمجيات العلا-البروتوكول الاختياري على شاشة الكمبيوتر. ثم يتم استخدام الصور المكتسبة لحساب التحول من مساحة صورة الولايات المتحدة في الفضاء أداة سلبية مع علامات فرضت على التحقيق. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. من الفضاء تعقب الحركة إلى مساحة الصورة السيد
    ملاحظة: تستخدم في عمليات المعايرة التالية لحساب تحويل جامدة من الحركة تتبع نظام الإطار المرجعي للإطار المرجعي صورة السيد ويجب أن يتكرر لكل موضع من الدماغ داخل النطاق التشغيلي لتعقب الحركة. يجب تكرار الخطوات الأخيرتين في هذا الإجراء لكل صورة السيد متميزة. خزان
    1. موضع الدماغ في الغمر الكامل داخل الماء. بدء تشغيل التطبيق تسجيل وجمع ومواقف كل من المجالات 18 الزجاج باستخدام أداة المؤشر ( الشكل 16). نقل ملفات سجل تعقب الحركة إلى محطة عمل-
    2. فتح كل صورة السيد الدماغ في البرمجيات التصور، ووضع علامة على موضع لكل مجال من مجالات الزجاج 18 يدوياً، وحفظ إحداثيات ثلاثي الأبعاد المطابق كملفات.csv.
    3. حساب تحويل الحركة جامدة المقتفي--إلى--السيد بين اثنين من الأطر المرجعية (انظر التعليمات البرمجية المصدر المفتوح والباب 9)-

Figure 16
الرقم 16 : الحصول مواقع مجالات الزجاج مزروع في الدماغ البقري للمعايرة. يتم استخدام تلميح أداة المؤشر اكتساب، واحداً تلو الآخر، ومواقف مجالات الزجاج 18 مزروع في الدماغ البقري مغمورة بالمياه. وتستخدم هذه المواقف لحساب في ترانسفأورماتيون من الحركة تتبع نظام الفضاء إلى الفضاء صورة السيد. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

7. الحصول على الموجات فوق الصوتية

ملاحظة: تتوفر إجراءات البرمجيات في بايثون برافو، لهذا الإجراء في الوقت الحقيقي التصور، كالمصدر المفتوح في https://bitbucket.org/unipv/denecor-tracking.

    1. من الصور "اكتساب الولايات المتحدة" يطرح مسبقاً المشبك على علامات على المسبار الأميركي وتنفيذ إجراء المعايرة (المادتان 5، 3 و 6-1). ضع الدماغ وتنفيذ إجراء المعايرة (المادتان 5، 1 و 6-2)-
    2. جمع المعلمتين التحول جامدة (الولايات المتحدة إلى العلامة والحركة المقتفي--إلى--السيد) المحسوبة في الخطوات 6.1.5 و 6.2.3 ونقل هذه الملفات إلى مجلد الإجراء في الوقت الحقيقي التصور نفذت في بايثون والتصور البرمجيات ( الشكل 10 باء)-
    3. بدء تشغيل الإجراء التصور في الوقت الحقيقي باستخدام البرمجيات التصور (راجع التعليمات البرمجية المصدر المفتوح) والتحقق من أن الوضع الفعلي للمسبار الأمريكي يتم عرضها بشكل صحيح ( الشكل 17).
    4. بدء تشغيل التطبيق تسجيل لتسجيل موضع التحقيق. تتطابق مع كل موقف نوعي المعرفة مسبقاً، كما هو معروض في البرمجيات، والتصور مع المسبار الأميركي والحصول على الصورة المطابقة مع نظام العلا-OP (الخطوة 5.2.3) يدوياً. إيقاف اثنين من التطبيقات ونقل جميع الصور الولايات المتحدة في شكل العلا-البروتوكول الاختياري والحركة تعقب ملفات السجل إلى محطة العمل.

Figure 17
الرقم 17 : الحصول على الولايات المتحدة صور ليطرح مسبقاً. المشغل تحركات المسبار الأميركي التوصل إلى يطرح مسبقاً؛ يتم اعتماد هذا الإجراء في الوقت الحقيقي من روتين بيثون، تبين موقف التحقيق عبر الصورة السيد ثلاثية الأبعاد للدماغ على شاشة محطة العمل، باستخدام البرمجيات التصور. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. اقتناء مرفوعة، تتحرك يطرح مع تحقيقات الولايات المتحدة الخطي لإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد
    ملاحظة: الخطوات التالية مخصصة لتحقيقات الولايات المتحدة الخطية فقط والسماح بالحصول على تسلسل 2D مستو الولايات المتحدة الصور التي ، جنبا إلى جنب مع بيانات من اقتراح نظام تتبع لتحديد المواقع، هناك حاجة لإعادة الإعمار حجم ثلاثي الأبعاد.
    1. المشبك على علامات على الولايات المتحدة التحقيق وتنفيذ إجراء المعايرة (المادتان 5، 3 و 6-1). ضع الدماغ وتنفيذ إجراء المعايرة (المادتان 5، 1 و 6-2)-
    2. يدوياً موقف الولايات المتحدة في التحقيق في المقصود وتشكل الأولية (مثل نهاية أمامية لكل نصف الكرة الأرضية). بدء الحصول على كل تسلسل صورة الولايات المتحدة مع النظام العلا-OP (الخطوة 5.2.3) وتطبيق تسجيل لتسجيل موقف التحقيق.
    3. تطبيق اقتراح بطيئة، مرفوعة إلى المسبار الأمريكي نحو المقصود النهائي تشكل (مثلاً القاصي نهاية كل نصف الكرة الأرضية للدماغ). التوقف عن شراء لنا الصور مع نظام العلا-البروتوكول الاختياري والتوقف عن متابعة التحقيق. نقل جميع الصور الولايات المتحدة في شكل العلا-البروتوكول الاختياري والحركة تعقب ملفات السجل إلى محطة العمل.

8. بعد المعالجة والتصور

  1. تجهيز متواليات مرفوعة من لنا صورة
    ملاحظة: هذا الإجراء ينفذ في MATLAB لغة البرمجة، ويتم تطبيقها على كل تسلسل مرفوعة من صور ثنائية الأبعاد من الولايات المتحدة في العلا-البروتوكول الاختياري تنسيق، لإنتاج صور ثلاثية الأبعاد كاملة. الصور
    1. تحميل التسلسل من الولايات المتحدة في شكل العلا-OP. تطابق تسلسل الصور الولايات المتحدة مع الحركة تعقب ملفات السجل. استخراج سلسلة مواقف المحددة زمنياً من ملفات السجل التي تم تضمينها في الفاصل الزمني الذهاب من البداية إلى نهاية عملية الاقتناء، كما هو مسجل من قبل نظام العلا-OP.
    2. حساب التوقيت الدقيق لكل صورة الولايات المتحدة في تسلسل استخدام المعلمات مسجل من قبل النظام العلا-OP.
    3. حساب موقف المرتبطة لكل صورة الولايات المتحدة في التسلسل، بالتحريف بين الموقفين توقيت أقرب مسجل من قبل تتبع نظام الحركة. استخدام الاستيفاء الخطي بين متجهات الترجمة وكروية الاستيفاء الخطي (سليرب) بين التناوب، أعربت عن أنها الكواتيرنيون.
      ملاحظة: تحمل صورة الولايات المتحدة الوسيط في التسلسل-أي الصورة في موقف أن أفضل أقسام التسلسل في نصفي طول متساوية (تقريبا)-كمرجع لتحديد الإطار صورة الولايات المتحدة 3D-
    4. تطبيق ضغط لوغاريتمي، وتطبيع الصورة إلى الحد الأقصى، وتنطبق عتبة (عادة-60 ديسيبل) لكل طائرة في صورة الولايات المتحدة-
    5. فيما يتعلق بالإطار المرجعي، وحساب وتطبيق تحويل مكانية نسبي لكل من الصور الأميركية الأخرى في التسلسل للحصول على حزمة من الطائرات الموجودة مكانياً.
    6. تطبيق روتين استيفاء خطي لهيكل الطائرات الموقع المكاني لإنتاج مجموعة 3D ديكارت من فوكسيلس. حفظ مجموعة ثلاثية الأبعاد من فوكسيلس ديكارت كملف.vtk وسجل الطوابع الزمنية الفاصلة التي تتوافق مع توقيت اقتناء.
  2. بعد المعالجة للصور الأخرى الولايات المتحدة (تسلسل لا يدوي)
    ملاحظة: يتم تطبيق الإجراء التالي لكل صورة الولايات المتحدة في شكل العلا-البروتوكول الاختياري إلا إلى تسلسل يدوي (8.1 القسم).
    1. تحميل الولايات المتحدة الصورة في تنسيق العلا-OP. تطبيق ضغط لوغاريتمي، وتطبيع الصورة إلى الحد الأقصى، وتنطبق عتبة (عادة-60 ديسيبل) لكل طائرة في صورة الولايات المتحدة-
    2. 3D صور الولايات المتحدة فقط، لا تنطبق روتين استيفاء خطي (أي تحويل المسح الضوئي) هيكل الطائرات الموقع المكاني لإنتاج مجموعة 3D ديكارت من فوكسيلس-
    3. احفظ الصورة الطائرة أو صفيف 3D ديكارت فوكسيلس كملف.vtk، تسجيل الطوابع الزمنية الفاصلة التي تتوافق مع توقيت اقتناء.
  3. الصور "التسجيل من الولايات المتحدة"
    ملاحظة: هذا المقطع يصف إجراءات القيام بالتسجيل النهائي للولايات المتحدة والسيد الصور، استخدام تحويلات اثنين المحسوبة خلال الخطوات المعايرة السابقة، ووضع البيانات المسبار الأميركي سجلت خلال عمليات الشراء. الروتينات البرمجيات في MATLAB لغة البرمجة للتسجيل منا الصور متوفرة كالمصدر المفتوح في https://bitbucket.org/unipv/denecor-transformations.
    1. تحميل صورة الولايات المتحدة في شكل.vtk.
    2. يتطابق مع توقيت صورة الولايات المتحدة مع الحركة تعقب ملفات السجل. استخراج سلسلة مواقف المحددة زمنياً من ملفات السجل التي تم تضمينها في الفاصل الزمني الذهاب من البداية إلى نهاية عملية الاقتناء، كما هو مسجل في الصورة.vtk-
      3. موقف
    3. لحساب متوسط لصورة الولايات المتحدة. استخدام متوسط الخطي لناقلات الترجمة وتطبيق الخوارزمية الموصوفة في مرجع 35 للتناوب، وأعربت عن أنها الكواتيرنيون.
    4. تحميل تحويل الولايات المتحدة إلى العلامة التي تناظر صورة الولايات المتحدة محددة. تحميل تحويل المقتفي--إلى--السيد الحركة الذي يتوافق مع صورة الولايات المتحدة محددة وصورة السيد الاختيار.
    5. استخدام متوسط موضع جنبا إلى جنب مع التحولات اثنين المذكورة أعلاه لحساب تحويل التسجيل جامدة الولايات المتحدة--إلى--السيد، وحفظ هذا الأخير في تنسيقات مختلفة، بما في ذلك ترجمة وزوايا أويلر التي تتيح تصور صورة الولايات المتحدة في إطار اختيار صورة السيد-
  4. تصور صور المسجلة في الولايات المتحدة
    ملاحظة: هذه هي الخطوات النهائية لتصور الصور الولايات المتحدة والسيد المكتسبة وإظهارها بعد تراكب في برنامج التصور، يمكن استخدام محسوب مسبقاً التحولات. بدء تشغيل البرنامج التصور
    1. وتحميل الصورة السيد الاختيار. تحميل الصور الولايات المتحدة ذات الصلة. لكل صورة الولايات المتحدة، إنشاء تحويل برافو وتطبيق تحويل تسجيل الولايات المتحدة--إلى--السيد محسوب ( الشكل 18) إلى بيانات الصورة-

9. نماذج المعايرة والتحولات

ملاحظة: يصف هذا القسم تفاصيل تقنيات المعايرة والتحويل المستخدمة في البروتوكول قدم الرياضي. البروتوكول التجريبي ويشمل أربعة أطر مرجعية مختلفة التي يجب أن تقترن بشكل صحيح: 1) الإطار صورة الولايات المتحدة، والذي يعتمد على كل الخصائص الفيزيائية للمسبار الأميركي وتكوين الماسح الضوئي، الذي يربط المكاني الإحداثيات (س y, z) لكل فوكسل في صورة الولايات المتحدة (للتوحيد، جميع صور المستوية ثنائية الأبعاد يفترض أن يكون y = 0)؛ 2) الإطار علامة (M)، المتأصل إلى أداة علامة السلبية التي فرضت للمسبار الأمريكي (القسم 6.1)؛ 3) الإطار تتبع نظام (TS) الحركة، التي متأصلة في الصك التعقب؛ 4) السيد (التصوير بالرنين المغناطيسي) إطار الصورة، الذي يتم تحديده بواسطة الماسح الضوئي، الذي يربط المكاني الإحداثيات (x, y, z) لكل فوكسل في صورة السيد. للراحة والبساطة للتدوين، يرد وصف الإجراءات المذكورة في هذا القسم استخدام مصفوفات التناوب (أي اتجاه جيب التمام مصفوفات) ولا الكواتيرنيون 36-

  1. من الولايات المتحدة في إطار م
    ملاحظة: إجراء المعايرة التجريبية في القسم 6.1 تنتج المعلومات التالية: 1) وظائف 3D (ف 1، …، ف 6) TS 2 أنماط 3 مجالات كل منهما، المدرجة في أجار الوهمية ويقاس في إطار تعقب الحركة؛ 2) 3D مواقف كل من نفس أنماط اثنين (ف 1، …، ف 3) لنا و (ف 4، …، ف 6) قياس الولايات المتحدة في كل الاثنين الولايات المتحدة الصور المكتسبة؛ 3) تحويل واحد (R م > إتس، تي م > إتس)، حيث R مصفوفة تناوب و t ناقل ترجمة، يقاس بأداة تحديد المواقع، التي ويصف الوضع النسبي للأداة علامة سلبية (تناوب كل يقاس باقتراح نظام تتبع يقال أنها الكواتيرنيون، التي يجب أن تترجم إلى مصفوفات التناوب).
    1. تطبيق الخوارزمية في مرجع 37 لكل واحد من اثنين من الأزواج من القوائم (ف 1، …، ف 3) لنا، (ف 1، …، ف 3) الملخص و (ف 4، …، ف 6) لنا، (ف 4، …، ف 6)، إتس الحصول على اثنين تحولات النوع (R الولايات المتحدة > إتس، تي الولايات المتحدة > إتس)، يقابل كل منها الخاصة بأحد منا الصور الفضائية. التحول
      1. لحساب تقدير للمطلوب (R الأمريكي > م، تي الولايات المتحدة > م) من كل من التحولات المذكورة أعلاه على النحو التالي:
        R الولايات المتحدة > م = R T م > إتس R الأمريكي > إتس
        t الولايات المتحدة > م = آر تي م > إتس (تي الولايات المتحدة > TS- تي م > إتس)
        ملاحظة: تقديرات اثنين تقترن بالمتوسط الحسابي للناقلات تي الأمريكي > م والمتوسط مصفوفات التناوب R الولايات المتحدة > م استخدام الأسلوب في مرجع 35، بعد بعد أول مرة يترجم مصفوفات الكواتيرنيون والكواتيرنيون الناتجة العودة إلى مصفوفة تناوب.
  2. من تتبع نظام للتصوير بالرنين المغناطيسي الإطار الحركة
    ملاحظة: الإجراء في القسم 6-2 وتنتج المعلومات التالية: 1) وظائف 3D (ف 1، …، ف 18 ) الملخص من أنماط 6 مجالات 3 كل المدرجة في الدماغ البقري، ويقاس في الحركة تتبع نظام الإطار؛ 2) المناصب ثلاثي الأبعاد نفس المجالات 18 (ف 1، …، ف 18) التصوير بالرنين المغناطيسي يقاس في الصورة السيد المستهدفة.
    1. مباشرة بحساب التحول المنشود (R إتس > التصوير بالرنين المغناطيسي، تي إتس > التصوير بالرنين المغناطيسي) بتطبيق الخوارزمية في 37 على القائمتين من المواقف.
  3. من الولايات المتحدة في إطار التصوير بالرنين المغناطيسي
    ملاحظة: الأميركية صورة اقتناء الإجراء الموضح في القسم 7 تنتج الصور التي، بعد حل الطوابع الزمنية المرتبطة ضد الحركة المقتفي-ملفات السجل، التحول ( R م > إتس، ر م > إتس) يتم حسابها بشكل مباشر.
    1. حساب التحول المنشود بالطريقة التالية:
      R الولايات المتحدة > التصوير بالرنين المغناطيسي = R إتس > التصوير بالرنين المغناطيسي ص م > إتس ص الولايات المتحدة > م
      تي الأمريكي > التصوير بالرنين المغناطيسي = R إتس > التصوير بالرنين المغناطيسي(RM>TStUS>M + tM>TS) + t إتس > التصوير بالرنين المغناطيسي

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

النتيجة الرئيسية التي تحققت عن طريق بروتوكول وصف التحقق من صحة تجريبية لإجراء تقييم فعال وقابل للتكرار 2D، وقدرات التصوير 3D منا التحقيق في النماذج التي تستند إلى تكنولوجيا كمات، في التطبيق المرتقب للدماغ التصوير. بعد تنفيذ جميع الخطوات بروتوكول وصف، خبير ثم يمكنك تطبيق وظائف البرنامج التصور (مثل تشريح التوجه مجاناً، واستخراج مجموعة فرعية، حجم الاستيفاء، إلخ) لمقارنة محتويات المرئية المسجلة صور الولايات المتحدة مع صورة السيد مستهدفة. على وجه الخصوص، تمثل نوعية الصور التي تم الحصول عليها، وفي المقارنة المباشرة لمعيار الذهب للتصوير بالرنين المغناطيسي، دليل أولى وهامة لإمكانات التكنولوجيا كمات في هذا الميدان.

كمثال للمقارنة البصرية الممكنة، يوضح الشكل 18 شريحتين من الصور الحجمي المكتسبة مع المسبار "كمات لنا" والتحقيق الخطي الصفيف كهرضغطية، على التوالي، في تراكب لنفس الشريحة المقابلة في صورة السيد T2 المرجحة. الصور السيد T2 مرجح أثبتت أنها الأكثر فعالية من حيث إبراز السمات المرغوبة في هذه التجارب وذلك اختيرت كمراجع لتراكب. الولايات المتحدة اثنين من الصور في الشكل تم الحصول عليها في نفس التردد 9 ميغاهرتز. كما يتضح في الشكل 18، بالصورة التي تم الحصول عليها في بحث كموت أفضل قرار والتباين؛ كما أبرز ملامح البصرية هي تحديداً أفضل وهياكل سولسي و جيري مرئية أكثر وضوح، تبين أن حساسية أعلى وعرض النطاق الترددي أوسع للمسبار كمات تحقيق تحسين الأداء.

Figure 18
الرقم 18 : تراكب شرائح الصورة المسجلة في الولايات المتحدة، والسيد- ويوضح الشكل يتحقق تسجيل السيد ولنا الصور المكتسبة مع كمات (أ، ج، ه، ز) وكهرضغطيه (ب، د، و، ح) يسبر الصفيف الخطي. في (أ) و (ب) أعيد بناؤها تظهر مخططات البيانات ثلاثية الأبعاد في الفضاء السيد وهو تسليط الضوء على شريحة ثنائية الأبعاد المحددة. لوحات (ج، ه، ز) و (د، و، ح) عرض الشرائح الولايات المتحدة والسيد فرضه مع زيادة الشفافية لإظهار الرسائل المتبادلة الميزات في كل الصور. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

كذلك أمثلة نسبية، تتصل بصور 3D الحجمي، ممثلة في الرقم 19 و الرقم 20. يبين الشكل 19 3D صور اثنين، واحد تم الحصول عليها في بحث الخطي كهرضغطية بعد التعمير الحجمي، وآخر حصل مع المسبار كهرضغطية اجتاحت ميكانيكيا لتصوير ثلاثي الأبعاد. يظهر الرقم 20 إعمار الصور المكتسبة مع المسبار كمات 3D الحجمي. 3D هيكل جيري و سولسي من قشرة الدماغ واضحة للعيان في جميع الحالات الثلاث، على الرغم من أن في وحدات التخزين التي تم الحصول عليها مع المسبار كموت السطوح الخارجية أكثر بكثير واضحة ومحددة بشكل أفضل.

Figure 19
الرقم 19 : صور الولايات المتحدة 3D الحجمي المكتسبة مع تحقيقات كهرضغطية. المقارنة بين الصور الثلاثية الأبعاد من الولايات المتحدة المكتسبة مع المسبار اجتاحت ميكانيكيا (أ، ج)، أو أعيد بناؤها من الصور 2D مستو المكتسبة اليدوي مع المسبار خطي استخدام تعقب حركة البيانات (ب، د) لتحديد المواقع. في (أ، ب) وتظهر مواقف وحدات التخزين هذه في الإطار صورة السيد ثلاثي الأبعاد، باستخدام الخطوط العريضة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 20
الرقم 20 : إعادة بنائها 3D صور الولايات المتحدة اكتسبت بالمسبار كمات. استخدمت الطائرات صورة 2D المكتسبة اليدوي عن طريق مسح الدماغ البقري مع المسبار كمات لإعادة بناء وحدات تخزين ثلاثي الأبعاد، كما هو موضح في (ج، د). في (أ، ب) تمثل الخطوط العريضة لمثل هذه الكميات في الإطار صورة السيد 3D. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

كمنتج كبيرة وإضافية، ولدت هذه التجارب dataset مسبار متعدد موسعة الصور الولايات المتحدة التي تتضمن تحديد المواقع وبيانات التسجيل بالنسبة لصور السيد مختلفة لنفس الهدف. الرقم 21 يلخص جميع الصور الثلاثية الأبعاد في dataset بإظهار المربعات المحيطة لكل واحد منهم في تراكب لنفس الصورة MR.

Figure 21
الرقم 21 : حصلت 3D dataset الولايات المتحدة في إطار مرجعي صورة السيد- ويوضح الشكل 3D صورة السيد الدماغ ومخططات فرضه من 3D الولايات المتحدة مجموعات البيانات المكتسبة مع كهرضغطية اجتاحت ميكانيكيا (أ) ومجموعة الخطي كهرضغطية (ب) وكموت (ج) إجراء تحقيقات. وفي (ب) و (ج)، 3D صور تم الحصول عليها عن طريق التعمير الحجمي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

عموما، هذه النتائج تدل على فعالية البروتوكول وصف، والذي سمح باقتناء والتسجيل الصحيح في 2D/3D لنا الصور في الإطار المرجعي 3D صورة السيد الدماغ البقري نفسه (الرقم 18، 19)، وإعادة بناء وحدات التخزين من صور ثنائية الأبعاد من الولايات المتحدة حصلت في الوضع اليدوي (د الأرقام 19، 20).

استخدام أدوات البرامج المذكورة، الخبراء يمكن بصريا استكشاف أهم الميزات في 2D و 3D لنا صوراً للعينات البيولوجية. وقد ثبت أمثلة هامة للتقييم النوعي للتحقيق كموت التصوير الأداء بالمقارنة مع تلك التحقيقات الأميركية الأخرى (انظر الشكل 18و الرقم 19 و الرقم 20)، وإشارة إلى صورة السيد المستهدف (انظر الشكل 18). كذلك تحليلات متطورة ممكنة في صورة مجموعات البيانات التي تم الحصول عليها، الخبراء الإنسان أو من خلال تطبيق تقنيات البرمجيات الأخرى، مثل تلك المتعلقة برقمي، صقل الولايات المتحدة--السيد تسجيل الصور الثلاثية الأبعاد. هذه البرامج ستكون تقنيات موجهة في المستقبل يعمل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

قد عرضت عدة أعمال في الأدب تصف الأساليب المماثلة أو ذات الصلة بالبروتوكول قدم. وتستند هذه التقنيات أيضا استخدام أهداف واقعية، بما في ذلك الحيوان ثابتة أو أدمغة الجثث، ولكن حملن هم أساسا لاختبار أساليب التسجيل الرقمي من مختلف الأنواع.

بيد أن البروتوكول هو موضح هنا، بغرض محدد هو اختبار الولايات المتحدة تحقيقات في تكوينات مختلفة في المراحل الأولى من التنمية، ونتيجة لهذا، فإنه يستوفي شرطا أساسيا في إمكانية تكرار نتائج لعمليات الشراء، وهي في نفس العينات البيولوجية ويطرح قابلة للمقارنة. بروتوكول قدم يستعير جوانب عديدة من التقنيات الموجودة أعلاه، وتجمع لهم في ترتيبات مختلفة لهذا الغرض.

ومن بين الدروس التي تعلمنا أثناء تصميم البروتوكول والتجريب، هي إجراءات المعايرة بكثير من الجانب الأكثر أهمية. على الرغم من التحسينات العديدة المعتمدة، هذا الخطأ الشامل المكاني لمجموعة بأكملها من التحولات بعد معايرة في حدود 1-1.5 مم. مثل هذا الخطأ ليس بسبب الافتقار إلى الدقة لتعقب الحركة (التي لديها دقة موثقة تبلغ 0.3 مم)، ولكن بدلاً من ذلك إلى صعوبة الحصول على قراءات دقيقة المكانية على عينة بيولوجية التي تحتفظ ببعض المرونة.

من ناحية أخرى، في تجربتنا، دقة التزامن الزمني ليس أحد جوانب البالغة الأهمية. في الواقع، معدل اقتناء بيانات الموقف التي تعقب الحركة أمر واحد تقريبا من حجم أكبر من حركة الأيدي البشرية في محاولة لتحقيق موقف ثابت. ونتيجة لهذا، هذه المرة تكتسب المتوسطات المحسوبة في البروتوكول بدقة إضافية. ثمة جانب آخر فعالة بشكل خاص هو تعريف يطرح الظاهري. في التجارب التي يؤديها، وبفضل روتينية تتبع البصرية في الوقت الحقيقي، يمكن أن محرك المشغلين الحصول على صور قابلة للمقارنة لكل يطرح الظاهري اثنا عشر من كل من تحقيقات الولايات المتحدة ثلاثة دون بذل الكثير من الجهد ودعم الهياكل الميكانيكية.

إمكانية إدخال تعديل على البروتوكول، الذي سيعتمد في المستقبل، هو استخدام طرق المعايرة المختلفة وتحسين، الذي ينبغي أن يستند إلى حلقة أوثق، والتغذية المرتدة من التحولات المكانية. في شكله الحالي، في الواقع، يتطلب البروتوكول مهمة تجهيز القراءات المكانية لحساب مصفوفات التحويل. على الرغم من أن هذا النشاط يمكن أن يؤديها في عشرات الدقائق ولا تتطلب التجارب وضع دون اتصال، توفر هذه المعالجة بعد النتائج التي لا يمكن تصور على الفور، أثناء تنفيذ المعايرة. وفي هذا الصدد، يمكن أن تكون التغذية مرتدة بصرية المحسنة وربما في الوقت الحقيقي للمعايرة الحصول على مساعدة كبيرة في تحقيق قدر أكبر من الدقة.

للتنفيذ الفعلي للبروتوكول، من الأمور الأساسية من الحصول على الصكوك معقول مفتوحة وتسمح التكاملات المطلوبة متعددة. على سبيل المثال، الإمكانية الفعلية لمزامنة الإشارات القادمة من مصادر مختلفة-ويكفل الوصول إلى بيانات التوقيت الداخلي يوفرها نظام العلا-البروتوكول الاختياري في هذه الحالة-حاسمة بالنسبة للمعايرة والصورة بعد المعالجة الأنشطة.

هناك عامل هام آخر هو البرمجيات. على الرغم من أن لا أدوات البرمجيات الرئيسية المطلوبة للتجارب، وعددا من إجراءات c + + و MATLAB، بالإضافة إلى الوحدات النمطية المستندة إلى بايثون بارافيو، أثبتت أنها ضرورية لعدد من المهام الحاسمة، مثل المعايرة، تتبع الحركة التغذية المرتدة لمعرفة مسبقاً يطرح، ومرحلة ما بعد المعالجة لإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد. مرة أخرى، بعد الحصول على البيانات ذات المستوى المنخفض التي تنتجها الصكوك بالغ الأهمية لإنشاء مكونات البرامج هذه.

وأخيراً، أن اختيار الهدف الصحيح للتصوير مهم جداً. العديد من الخيارات البديلة التي تنطوي على أعمال أشباح الاصطناعية تعتبر مسبقاً، وفي تجربتنا، ظهرت جميع هذه البدائل أن تكون دون المستوى الأمثل بالمقارنة مع خيار جداً فعالة من حيث التكلفة للدماغ البقري ثابتة في الفورمالين. ويضمن هذا الهدف أفضل بكثير من الواقعية، ومع الرعاية المناسبة، إلى أجل غير مسمى المحافظة عليها على مر الزمن.

وفي الختام، هو تحقيق النتائج التجريبية المقدمة، مع صورة متعددة الوسائط 3D dataset كنتيجة دائمة وذات الصلة، في رأينا نتاج لاستراتيجية التكامل الفني الفعال يحتاج إلى تجميع piecewise، من خلال تحليل دقيق للعديد من جوانب ضمنية، وتصميم فيما يتعلق بالإجراءات والصكوك المعنية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ويعلن الكتاب لديهم لا تضارب المصالح المالية.

Acknowledgments

ودعمت هذا العمل تم جزئيا من الحكومات الوطنية، والاتحاد الأوروبي من خلال مشروع جو ENIAC دينكر تحت منحة اتفاق عدد 324257. الكتاب يود أن يشكر البروفسور جيوفاني ماجينيس، والبروفيسور بييرو تورتولي والدكتور Giosuè كاليانو للدعم الثمين والإشراف، والتعليقات الثاقبة التي مكنت من هذا العمل. نحن ممتنون أيضا للأستاذ الدكتور ايغيديو دانجيلو ومجموعته (مختبر مخفية)، جنبا إلى جنب مع مؤسسة المعهد نيورولوجيكو جيم Mondino، لتوفير تتبع الحركة والسيد الأجهزة، وجرماني جيانكارلو للمقتنيات MR. وأخيراً، نود أن نشكر الدكتور نيكوليتا كاراميا والدكتور أليساندرو دالي والسيدة باربرا موتى لدعمها التقني القيم والسيد والتر فولبي لتوفير الدماغ البقري.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ULA-OP University of Florence N/A Ultrasound imaging research system
3D imaging piezeoelectric probe Esaote s.p.a. 9600195000 Mechanically-swept 3D ultrasound probe, model BL-433
Linear-array piezoelectric probe Esaote s.p.a. 122001100 Ultrasound linear array probe, model LA-533
CMUT probe University Roma Tre N/A Ultrasound linear array probe based on CMUT technology
MAGNETOM Skyra 3T MR scanner Siemens Healthcare N/A MR scanner
Head coil Siemens Healthcare N/A 32-channel head coil for MR imaging
NDI Polaris Vicra NDI Medical 8700335001 Optical motion tracking system
Pointer tool NDI Medical 8700340 Passive pointer tool with 4 reflecting markers
Clamp-equipped tool NDI Medical 8700399 Rigid body with 4 reflecting markers and a clamp to be connected to the US probe handle
Bovine brain N/A N/A Brain of an adult bovine, from food suppliers
Formalin solution N/A N/A 10% buffered formalin solution for bovine brain fixation - CAUTION, formalin is a toxic chemical substance and must be handled with care; specific regulations may also apply (see for instance US OSHA Standard 1910.1048 App A)
Plastic container for anatomical parts N/A N/A Cilindrical plastic container with lid
Glass spheres N/A N/A 3 mm diameter spheres of Flint glass
Agar N/A N/A 30 g, for phantom preparation
Glycerine AEFFE Farmaceutici A908005248 100 g, for phantom preparation
Distilled water Solbat Gaysol 8027391000015 870 g, for phantom preparation
Beaker N/A N/A Beaker used for the diluition of glycerine and agar in distilled water
Lysoform Lever 8000680500014 A benzalkonium chloride and water solution was used for the agar phantom preservation
Polystyrene mannequin head N/A N/A Polyestirene model which was cutted and used to design the configuration of spheres'patterns
Green tissue marking dye for histology N/A N/A Colour used to mark the glass spheres' positions on the bovine brain surface
Yellow enamel N/A N/A Enamel used to colour the glass spheres implanted in the agar phantom
Water tank N/A N/A 50x50x30 cm plastic tank filled with degassed water up to a 15 cm height 
Mechanical arm Esaote s.p.a. N/A Mechanical arm clamped to the water tank border and used to held the probe in fixed positions
Plate of synthetic resin N/A N/A Plate used as a support for the bovine brain positioning in the water tank
Sewing threads N/A N/A Sewing thread segments used to immobilize the brain on the resin plate
Adhesive tape N/A N/A Adhesive tape used to fix the sewing thread extremities onto the resin plate
Plastic food container N/A N/A Sealed food container used for the agar phantom
Notebook Lenovo Z50-70 Lenovo  Z50-70, Intel(R) Core i7-4510U @ 2.0 GHz, 8 GB RAM
Workstation Dell Inc. T5810 Intel(R) Xeon(R) CPU E3-1240v3 @ 3.40 GHz, 16 GB RAM
Matlab The MathWorks R2013a Software tool, used for space transformation computation and 3D reconstruction from image planes
Paraview Kitware Inc. v. 4.4.1 Open-source software for 3D image processing and visualization
NDI Toolbox - ToolTracker Utility NDI Medical v. 4.007.007 Software for marker position visualization and tracking in the NDI Polaris Vicra measurement volume
C++ data-logging software NDI Medical v. 4.007.007 Software for marker position recording on a text log file
ULA-OP software  University of Florence N/A Software for real-time display and control of the ULA-OP system

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

الهندسة الحيوية، المسألة 127، كمات، والموجات فوق الصوتية 3D التصوير، الدماغ، والتصوير بالرنين المغناطيسي، نظام تتبع الحركة، الأبقار، صورة التسجيل
وضع بروتوكول تجريبي لتقييم أداء جديدة المسابير الموجات فوق الصوتية على أساس تكنولوجيا كمات في التطبيق لتصوير الدماغ
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Matrone, G., Ramalli, A., Savoia, A. … More

Matrone, G., Ramalli, A., Savoia, A. S., Quaglia, F., Castellazzi, G., Morbini, P., Piastra, M. An Experimental Protocol for Assessing the Performance of New Ultrasound Probes Based on CMUT Technology in Application to Brain Imaging. J. Vis. Exp. (127), e55798, doi:10.3791/55798 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter