Bioengineering

Een experimenteel Protocol voor de beoordeling van de prestaties van de nieuwe Ultrasound sondes gebaseerd op CMUT technologie in toepassing op Brain Imaging

Published: September 24, 2017 doi: 10.3791/55798

Giulia Matrone¹, Alessandro Ramalli², Alessandro Stuart Savoia³, Fabio Quaglia⁴, Gloria Castellazzi⁵, Patrizia Morbini⁶, Marco Piastra¹

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

De ontwikkeling van nieuwe echografie (VS)-sondes gebaseerd op capacitieve Micromachined ultrasone Transducer (CMUT) technologie vereist een vroege realistische inschatting van beeldvormende mogelijkheden. We beschrijven een herhaalbare experimenteel protocol voor Amerikaanse Beeldacquisitie en vergelijking met magnetische resonantie beelden, met behulp van een ex vivo boviene hersenen als een imaging doel.

Abstract

De mogelijkheid voor het uitvoeren van een vroege en herhaalbare beoordeling van prestaties imaging is van fundamenteel belang in het ontwerp en proces van de ontwikkeling van nieuwe echografie (VS) sondes. Met name kunnen een meer realistische analyse met toepassingsspecifieke imaging doelen uiterst waardevol voor de beoordeling van de verwachte prestaties van Amerikaanse sondes in hun potentiële klinische toepassingsgebieden.

Het experimentele protocol gepresenteerd in dit werk met opzet was bedoeld om een toepassingsspecifieke beoordelingsprocedure voor nieuw ontwikkelde ons sonde van de prototypen die zijn gebaseerd op capacitieve Micromachined ultrasone Transducer (CMUT) technologie met betrekking tot beeldvorming van de hersenen.

Het protocol combineert het gebruik van een boviene hersenen in formaline vaste als doel voor de beeldvorming, waarbij zowel realisme en herhaalbaarheid van de beschreven procedures, en neuronavigation technieken ontleende neurochirurgie. De Amerikaanse sonde is in feite verbonden met een motion tracking systeem die verwerft positiegegevens en kunt de superpositie van Amerikaanse beelden om te verwijzen naar magnetische resonantie (MR) beelden van de hersenen. Dit biedt een middel om menselijke deskundigen voor het uitvoeren van een visuele kwalitatieve beoordeling van de Amerikaanse sonde imaging prestaties en acquisities die met verschillende sondes te vergelijken. Bovendien, het protocol is gebaseerd op het gebruik van een volledige en open systeem voor onderzoek en ontwikkeling voor Amerikaanse Beeldacquisitie, d.w.z. de scanner echografie Advanced Open Platform (ULA-OP).

Het manuscript beschrijft in detail de instrumenten en procedures betrokken bij het protocol, met name voor de kalibratie, de Beeldacquisitie en de registratie van VS en MIJNHEER beelden. De verkregen resultaten bewijzen de doeltreffendheid van het algemeen protocol gepresenteerd, die is volledig open (binnen de grenzen van de betrokken instrumenten), herhaalbare en omvat het geheel van activiteiten van de acquisitie en verwerking voor Amerikaanse beelden.

Introduction

De toenemende markt voor klein en draagbaar echografie (VS)-scanners leidt tot de ontwikkeling van nieuwe echographic sondes in welk deel van het signaal-airconditioning en beamforming elektronica is geïntegreerd in het handvat van de sonde, vooral voor 3D / 4D imaging ¹. nieuwe technologieën bijzonder geschikt om dit hoge niveau van integratie omvatten Micromachined ultrasoon Transducers (MUTs)², een klasse van Micro Electro-mechanische systeem (MEMS) omvormers vervaardigd op silicium. Capacitieve MUTs (CMUTs) hebben in het bijzonder eindelijk een technologische rijpheid, dat ze een geldig alternatief voor piëzo-elektrische omvormers voor volgende generatie echografie imaging systemen^{3 maakt}. CMUTs zijn zeer aantrekkelijk vanwege hun compatibiliteit met technologieën voor micro-elektronica, brede bandbreedte - die resulteert in een hogere beeldresolutie - hoog thermisch rendement en, boven alles, hoge gevoeligheid⁴. In het kader van de ENIAC JU-project DeNeCoR (apparaten voor NeuroControl en NeuroRehabilitation)⁵, CMUT sondes worden ontwikkelde⁶ voor Amerikaanse hersenen beeldtoepassingen (bijvoorbeeld Neurochirurgie), waar hoge kwaliteit 2D/3D/4 D beelden en nauwkeurige weergave van de breinstructuur zijn vereist.

In het ontwikkelingsproces van nieuwe Amerikaanse sondes is de mogelijkheid van het uitvoeren van de vroege beoordeling van imaging prestaties van fundamenteel belang. Typische evaluatie technieken betrekken meten van bepaalde parameters zoals resolutie en contrast, gebaseerd op beelden van weefsel nabootsen phantoms met ingesloten doelen van de bekende meetkunde en echogenicity. Meer realistische analyse met toepassingsspecifieke imaging doelen kunnen bijzonder waardevol zijn voor een vroege evaluatie van de verwachte prestaties van Amerikaanse sondes in hun potentiële toepassing aan een specifieke klinische veld. Aan de andere kant, de volledige herhaalbaarheid van acquisities is van fundamenteel belang voor de vergelijkende tests van verschillende configuraties na verloop van tijd, en deze eis in vivo experimenten helemaal uitsluit.

Diverse werken in de literatuur over diagnostische beeldvormingstechnieken voorgesteld het gebruik van ex vivo dierlijke specimens⁷, cadaver hersenen⁸of weefsel nabootsen phantoms⁹ voor verschillende doeleinden¹⁰, waaronder de testen van beeldvormende methoden, registratie algoritmen, magnetische resonantie (MR) sequenties of het Amerikaanse beam-patroon en de daaruit voortvloeiende beeldkwaliteit. Bijvoorbeeld, in het kader van brain imaging, Lazebnik et al. ⁷ een formaline-vaste schapen hersenen gebruikt om te evalueren van een nieuwe 3D heer registratie methode; Evenzo Choe et al. ¹¹ onderzocht een procedure voor de registratie van de heer en de lichte microscopie van beelden van een vaste uil aap hersenen. Een phantom hersenen van polyvinylalcohol (PVA) werd ontwikkeld in⁹ en gebruikt voor het uitvoeren van multimodale afbeelding overnames (dat wil zeggen heer, VS, en berekend tomografie) voor het genereren van een gedeelde afbeelding dataset¹² voor het testen van registratie en Imaging algoritmen.

Over het geheel genomen, deze studies bevestigen dat het gebruik van een realistisch doel voor afbeelding acquisities inderdaad een essentiële stap tijdens de ontwikkeling van een nieuwe beeldvormende techniek is. Dit betekent een nog meer kritieke fase bij het ontwerpen van een nieuwe beeldapparaat, zoals de CMUT ons sonde gepresenteerd in dit document, dat is nog in een fase van prototyping en behoeften van de uitgebreide en reproduceerbare testen na verloop van tijd, voor een nauwkeurige afstemming van alle ontwerp parameters voor de definitieve realisatie en mogelijke validatie in in-vivo -toepassingen (zoals in¹³^,¹⁴^,¹⁵).

Het experimentele protocol beschreven in dit werk is dus ontworpen om een robuuste, toepassingsspecifieke imaging beoordelingsprocedure voorzien nieuw ontwikkelde VS sondes gebaseerd op CMUT technologie. Om ervoor te zorgen van zowel realisme en herhaalbaarheid, boviene werden hersenen (verkregen door middel van de voedselvoorziening commerciële standaardketting) vast in formaline gekozen als imaging doelen. De fixatie procedure garandeert langetermijnbewaring van weefsel kenmerken met behoud van bevredigende morfologische kwaliteiten en eigenschappen van de zichtbaarheid in zowel de V.S. als de heer imaging¹⁶^,¹⁷.

Het protocol voor de beoordeling van de beeldkwaliteit vs beschreven hier ook implementeert een functie geleend van neuronavigation technieken die worden gebruikt voor neurochirurgie¹⁵. In een dergelijke aanpak, zijn Amerikaanse sondes verbonden met een motion tracking systeem waarmee ruimtelijke positie en oriëntatie gegevens in real-time. Op deze manier kunnen Amerikaanse beelden opgedaan tijdens chirurgische activiteiten automatisch worden geregistreerd en gevisualiseerd, voor begeleiding, in superpositie te pre-operatory heer beelden van de hersenen van de patiënt. Voor de toepassing van het voorgestelde protocol, de superpositie met MIJNHEER beelden (die worden beschouwd als de gouden standaard in de beeldvorming van de hersenen) is van grote waarde, omdat hierdoor menselijke deskundigen te visueel beoordelen die morfologische en weefsel functies zijn herkenbaar in de beelden van de VS en, vice versa, om te herkennen van de aanwezigheid van imaging artefacten.

De mogelijkheid om te vergelijken van de beelden verkregen met verschillende Amerikaanse sondes wordt nog interessanter. Het experimentele protocol gepresenteerd omvat de mogelijkheid om te definiëren van een reeks van ruimtelijke referentie vormt voor de acquisities in de VS, gericht op de meest feature-rijke volume regio's geïdentificeerd in een voorlopige visuele inspectie van MIJNHEER beelden. Een geïntegreerde visuele tool, ontwikkeld voor de Paraview opensource software systeem¹⁸, biedt begeleiding aan exploitanten voor het afstemmen van deze vooraf gedefinieerde poses tijdens Amerikaanse afbeelding overname fasen. Voor de kalibratie procedures door het protocol opgelegde, is het fundamenteel voor alle exemplaren van de doel - biologische of synthetische - voorzien van vooraf gedefinieerde positie monumenten die ondubbelzinnig ruimtelijke referenties. Dergelijke monumenten moet zichtbaar in zowel de V.S. als de heer beelden en fysiek toegankelijk is voor de metingen met de motion tracking systeem. De elementen van de gekozen landmark voor het experiment zijn kleine bollen van Flint glas, waarvan zichtbaarheid in zowel de V.S. als de heer beelden werd aangetoond in de literatuur¹⁹ en bevestigd door voorlopige VS en MIJNHEER scans die vóór de voorgestelde experimenten uitgevoerd.

Het protocol gepresenteerd is gebaseerd op de echografie Advanced Open Platform (ULA-OP)²⁰, een volledige en open onderzoek en ontwikkelsysteem voor ons Beeldacquisitie, die veel bredere experimentele mogelijkheden dan commercieel beschikbaar biedt scanners en dient als een gemeenschappelijke basis voor de evaluatie van verschillende Amerikaanse sondes.

Ten eerste, de instrumenten die worden gebruikt in dit werk worden beschreven, met name de nieuw ontworpen CMUT-sonde. Het experimentele protocol is intromingen in detail, met een uitgebreide omschrijving van alle betrokkenen, van eerste ontwerp tot systeem kalibratie, Beeldacquisitie en post-processing procedures. Ten slotte, de verkregen beelden worden gepresenteerd en de resultaten worden besproken, samen met tips voor toekomstige ontwikkelingen van dit werk.

Instrumentatie

CMUT sonde prototype

De experimenten werden uitgevoerd met behulp van een nieuw ontwikkelde 256-element CMUT lineaire matrix prototype, ontworpen, vervaardigd en verpakt in het laboratorium (ACULAB) van de Acoustoelectronics van Roma Tre-universiteit (Rome, Italië), met behulp van de productie-procédé Reverse CMUT ( RFP)⁴. RFP is een microfabrication en verpakkingstechnologie, speciaal bedacht voor de realisatie van MEMS omvormers voor ons beeldtoepassingen, waarbij de microstructuur van de CMUT wordt vervaardigd op silicium na een "upside-down" benadering²¹. In vergelijking tot andere technologieën voor de vervaardiging van CMUT levert RFP imaging prestatieverbetering als gevolg van de hoge uniformiteit van de CMUT cellen meetkunde over de volledige array en het gebruik van akoestisch gemanipuleerde materialen in de sonde hoofd pakket. Een belangrijk kenmerk van RFP is dat de elektrische interconnectie pads zijn gevestigd op het achterste deel van het CMUT sterven, die de 3D-integratie van 2D-arrays en front-end meerkanaals elektronica verlicht.

De 256-element CMUT matrix was ontworpen om te opereren in een frequentieband gecentreerd op 7.5 MHz. De toonhoogte van een element van 200 µm werd gekozen voor de array wat resulteert in een maximale breedte van het veld-of-view van 51,2 mm. De hoogte van de interne CMUT Arrayelementen werd gedefinieerd om passende prestatie op het gebied van laterale resolutie en penetratie vermogen. Een 5 mm hoogte voor de element van de matrix werd gekozen om het verkrijgen van een-3 dB bundel breedte van 0,1 mm en een diepte van-3 dB van focus van 1,8 mm van 7.5 MHz, bij de vaststelling van de hoogte-focus op een diepte van 18 mm met behulp van een akoestische lens. 195 µm-wide Arrayelementen werden verkregen door regelen en elektrisch aansluiten in parallelle 344 circulaire CMUT cellen, na een zeshoekig lay-out. De resulterende 5 µm element-tot-element afstand, d.w.z. de kerf, komt dus overeen met de membraan-naar-membraan scheiding. Een schematische weergave van de structuur van een CMUT matrix wordt vermeld in Figuur 1.

Figuur 1: CMUT matrix structuur. Schematische weergave van de structuur van een CMUT array: array elementen samengesteld uit verschillende cellen met elkaar verbonden parallelle (a), layout van de CMUT microstructuur (b); dwarsdoorsnede van een CMUT cel (c). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

De CMUT microfabrication parameters, d.w.z. de dwarskrachten en de verticale afmetingen van de plaat en de elektroden, waren gedefinieerd met behulp van eindige Element Modeling (FEM) simulaties met het oog op het bereiken van een breedband onderdompeling operatie, gekenmerkt door een de frequentierespons is gecentreerd op 7.5 MHz en een 100%-6 dB tweeweg fractionele bandbreedte. De hoogte van de spouw, d.w.z. de kloof, werd gedefinieerd om de spanning van een ineenstorting van 260 V te maximaliseren van de twee richtingen gevoeligheid, door de CMUT op 70% van de ineenstorting spanning⁴, overwegen een 80 V maximale excitatie signaal spanning vertekenende. Tabel 1 geeft een overzicht van de belangrijkste geometrische parameters van de microfabricated CMUT.

CMUT matrix ontwerpparameters
Met de parameter	Waarde
Matrix
Aantal elementen	256
Element worp	200 µm
Element lengte (hoogte)	5 mm
Vaste hoogte focus	15 mm
CMUT microstructuur
De diameter van de cel	50 µm
De diameter van de elektrode	34 µm
Cel-naar-cel zijdelingse afstand	7.5 µm
De dikte van de plaat	2,5 µm
Hoogte van de kloof	0,25 µm

Tabel 1. CMUT sonde parameters. Geometrische parameters van de CMUT lineaire-matrix sonde en CMUT cel microstructuur.

Het verpakkingsproces gebruikt voor de integratie van de CMUT matrix in een sonde hoofd wordt in referentie⁴beschreven. De akoestische lens werd vervaardigd met behulp van een kamertemperatuur gevulkaniseerd (RTV) siliconen rubber doped met metal-oxide nanopowders overeenkomen met de akoestische impedantie van water en vermijden van valse reflecties op de interface²². De resulterende verbinding werd gekenmerkt door een dichtheid van 1280 kg/m³ en een snelheid van het geluid van 1100 m/s. Een straal van 7 mm kromming werd gekozen voor de cilindrische lens, wat leidt tot een geometrische focus van 18 mm en een maximale dikte van ongeveer 0,5 mm boven het oppervlak van de transducer. Een foto van de CMUT sonde hoofd is afgebeeld in Figuur 2(a).

Figuur 2: CMUT sonde. Hoofd van de ontwikkelde CMUT sonde, met inbegrip van de lineaire matrix van transducers en akoestische lens (a), en de volledige CMUT sonde met connector (b). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Het hoofd van de sonde CMUT werd gekoppeld aan de greep van de sonde met meerkanaals receptie analoge front-end elektronica en een multipolaire kabel voor de aansluiting op de VS-scanner. Het elektronische circuit van één kanaal is een hoge input-impedantie 9 dB-gain spanning versterker waarmee elektrische huidige nodig om te rijden de impedantie van de kabel. De multichannel elektronica, beschreven in referentie ⁴, is gebaseerd op een circuit-topologie met inbegrip van een ultra-laag-vermogen geluidsarme ontvanger en een geïntegreerde switch voor de duplexmodus signaal zenden/ontvangen. De front-end elektronica-voeding en de CMUT bias spanning zijn gegenereerd door een aangepaste voeding en gevoed aan de sonde via de multipolaire kabel. De volledige sonde is afgebeeld in Figuur 2(b).

Piëzo-elektrische VS sondes

Voor kwalitatieve vergelijking van de beelden verkregen met de CMUT-sondeboven, werden twee verkrijgbare piëzo-elektrische VS sondes opgenomen in de experimenten. De eerste is een lineaire-matrix sonde met 192 transducing elementen, een staplaats 245 µm en een 110% fractionele bandbreedte gecentreerd op 8 MHz. Deze sonde werd gebruikt voor het verwerven van 2D beelden van de B-modus. De tweede sonde is een sonde voor 3D-beeldbewerking met een mechanisch geveegd lineaire serie van 180 transducing elementen, met een worp van 245 µm en een 100% fractionele bandbreedte gecentreerd op 8,5 MHz. Een stappenmotor geplaatst binnen de sonde huisvesting kunnen vegen de lineaire matrix om meerdere vlakken, die kunnen worden gebruikt om te reconstrueren van een 3D-afbeelding van de gescande volume²³verwerven.

ULA-OP systeem

De overname van Amerikaanse beelden was uitgevoerd door gebruik te maken van de ULA-OP systeem²⁰, dat een volledige en open Amerikaanse onderzoek en ontwikkeling systeem is, ontworpen en gerealiseerd op de micro-elektronica Systems Design Laboratory van de Universiteit van Florence, Italië. De ULA-OP systeem kunt bepalen, zowel in de overdracht (TX) en ontvangst (RX), tot 64 onafhankelijke kanalen aangesloten via een matrix schakelaar op een Amerikaanse sonde met maximaal 192 piëzo-elektrische of CMUT omvormers. Het systeem het platform functies twee belangrijkste verwerking borden, een analoge bestuur (AB) en een digitale bestuur (DB), beide opgenomen in een rack, die worden aangevuld met een voeding bestuur en een rug-vliegtuig waarin de sonde connector en alle interne routering onderdelen. De AB bevat de front-end voor de sonde omvormers, in het bijzonder de elektronische onderdelen voor analoge conditionering van de 64 kanalen en de programmeerbare schakelaar-matrix die de TX-RX kanalen dynamisch wordt toegewezen aan de omvormers. Het DB is verantwoordelijk voor real-time beamforming, synthese van de TX-signalen en verwerken de RX is een echo om te produceren van de gewenste output (bijvoorbeeld B-modus afbeeldingen of Doppler sonograms). Het is gewezen dat het ULA-OP systeem is volledig configureerbaar, vandaar het signaal in TX kan elke willekeurige golfvorm binnen de bandbreedte van het systeem (bijvoorbeeld drie niveaus pulsen, sinus-uitbarstingen, sjirps, Huffman codes, enz.) met een maximum amplitude van 180 Vpp; Bovendien, de beamforming-strategie kan worden geprogrammeerd volgens de nieuwste focus patronen (bijvoorbeeld gericht Golf, multi-lijn-transmissie, vliegtuig Golf, uiteenlopende golven, beperkte diffractie balken, etc.)²⁴^,²⁵. Op hardwareniveau, zijn deze taken verdeeld over vijf veld Programmable Gate Arrays (FPGA) en een digitale signaalprocessor (DSP). Met mechanisch geveegd 3D imaging sondes, zoals hierboven beschreven, controleert de ULA-OP-systeem ook de stappenmotor binnen de sonde, voor de gesynchroniseerde verwerving van afzonderlijke 2D frames op elke positie van de matrix transducer.

De ULA-OP systeem kan worden opnieuw geconfigureerd tijdens runtime en aangepast aan verschillende Amerikaanse sondes. Het communiceert via een USB 2.0-kanaal met een host-computer, uitgerust met een specifieke softwaretool. De laatste heeft een configureerbare grafische interface die visualisatie in real time van Amerikaanse beelden, gereconstrueerd in verschillende modi; met volumetrische sondes, bijvoorbeeld, twee B-modus beelden van loodrecht vlakken in het gescande volume kunnen worden getoond in real time.

Het belangrijkste voordeel van het systeem van de ULA-OP voor de toepassing van het protocol beschreven is dat hierdoor een gemakkelijke afstelling van de TX-RX-parameters en het biedt volledige toegang tot de signaal gegevens verzameld bij elke stap in de verwerking keten²⁶, ook maakt het mogelijk voor het testen van nieuwe beeldvormende modaliteiten en beamforming technieken²⁷^,²⁸^,²⁹^,³⁰^,³¹^,³²^,³³.

Motion trackingsysteem

Sonde naar record de VS positie tijdens Beeldacquisitie, een optische resolutie tracking systeem was werknemer³⁴. Het systeem is gebaseerd op een sensor-unit dat uitzendt infraroodlicht via twee miniaturisten (light emitting diodes (LED's)) en maakt gebruik van twee ontvangers (dat wil zeggen een lens en een charge - coupled device (CCD)) te detecteren het licht weerspiegeld door meerdere doel-specifieke passief markeringen in vooraf gedefinieerde rigide shapes gerangschikt. Informatie over gereflecteerde licht wordt vervolgens verwerkt door een aan boord CPU om te berekenen zowel plaats en richting van gegevens, die kan worden overgedragen aan een host-computer aangesloten via USB 2.0. De zelfde verbinding kan worden gebruikt om te controleren van de configuratie van de sensor unit.

De sensor unit wordt geleverd samen met een set hulpprogramma's, elk uitgerust met vier reflecterende markeringen in een rigide geometrische configuratie gerangschikt. De motion tracking systeem kunt bijhouden maximaal zes afzonderlijke starre instrumenten tegelijk, met een frequentie van de werken van ongeveer 20 Hz. Twee dergelijke instrumenten werden gebruikt voor deze experimenten: een aanwijzer, waarmee de 3D positie verwerven geraakt door haar tip, en een klem toegeruste tool, die kan worden aangesloten op de Amerikaanse sonde onder test (Zie Figuur 14).

Aan de software kant beschikt de motie tracker een low-level seriële application programming interface (API) voor beide eenheid controle en gegevens verwerving, die toegankelijk zijn via USB. Standaard worden standpunt en de richtsnoeren voor de geretourneerd als multi-entry items, dat wil zeggen een inzending per elk gereedschap worden bijgehouden. Elk item bevat een 3D positie (x, y, z) uitgedrukt in mm en een oriëntatie (q,₀, q,_x, q_y, q-_z) uitgedrukt als een quaternion. Het systeem is ook voorzien van een werkset van hogere software-instrumenten, waaronder een grafische tracking tool voor het visualiseren en meten in realtime de posities/richtsnoeren voor meerdere tools binnen het gezichtsveld van de sensor unit.

Overzicht, integratie, software en systeemcomponenten

Het diagram in Figuur 3 wordt een overzicht gegeven van de instrumentatie voor het protocol, ook met een beschrijving van de gegevensstroom die in de systemen doorloopt vastgesteld.

Figuur 3: blokschema van de hele hardware setup en systeem integratie. De Amerikaanse sonde is verbonden met het ULA-OP systeem dat via USB met de laptop voor Amerikaanse Beeldacquisitie communiceert. Op hetzelfde moment, is de laptop ook aangesloten via USB naar de ontwerpresolutie tracking systeem, voor positie data-acquisitie, en via Ethernet naar het werkstation, voor gegevensverwerking Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Naast de sondes van de Verenigde Staten, de beweging tracker en de ULA-OP systeem, die hierboven zijn beschreven, omvat de instelling ook twee computers, namelijk een notebook en een werkstation. Eerstgenoemde is de belangrijkste front-end voor instrumentatie, ontvangen en synchroniseren van de twee belangrijkste inkomende datastromen: de Amerikaanse beelden vanuit de ULA-OP systeem- en de 3D-positionering van de gegevens van de motie-tracker. Het biedt ook een visuele feedback aan de exploitant voor de beelden worden verworven. Het werkstation is aanzienlijk hoger computationele voldoende kracht en opslagcapaciteit. Het biedt back-end ondersteuning voor post beeldverwerking en een opslagplaats voor de gecombineerde imaging datasets. Het werkstation wordt ook gebruiktvoor de visualisatie van de VS en MIJNHEER beelden, met inbegrip van de mogelijkheid van gelijktijdige 3D visualisatie van geregistreerde multimodale beelden.

Een essentiële vereiste voor de afbeelding overname experimenten is de synchronisatie van de twee belangrijkste gegevensstromen. Het volgen van beweging en ULA-OP systemen zijn onafhankelijke instrumenten die nog niet een expliciete synchronisatie van activiteiten ondersteunen. Vanwege dit, Amerikaanse beeldinformatie gegevens en positie moet goed worden gecombineerd om te ontdekken de juiste 3D positie van de Amerikaanse sonde op het moment dat elke afbeeldingssegment werd overgenomen. Voor dit doel, is een specifieke logboektoepassing ontwikkeld voor opname en timestamping in real-time de gegevens verstrekt door de motion tracking systeem, door aanpassing van een C++-softwareonderdeel dat wordt geleverd, in dit geval in de motie-tracker zelf. Typisch, motion tracking-systemen zijn voorzien van een low-level API waarmee vastleggen van gegevens in real-time en transcriberen hen naar een bestand.

De geadopteerde synchronisatiemethode werkt als volgt. Elke vermelding in het bestand die is geproduceerd door de logboektoepassing wordt aangevuld met een tijdstempel in het formaat "JJJJ-MM-ddThh:mm:ss.kkk", waar: y = jaar, M = maand, d = dag, h = uur, m = minuut, s = tweede, k = milliseconde. De ULA-OP PC gebaseerde software (C++ en MATLAB programmeertalen) berekent de begin- en eindtijd voor elke verwerving Afbeeldingsvolgorde en slaat deze gegevens in elk beeld in .vtk formaat. Om een gemeenschappelijke tijdelijke verwijzing tijdens de experimenten, worden beide bovenstaande software procedures uitgevoerd op de front-end computer in Figuur 3. Tijdstempels geproduceerd op deze manier worden vervolgens door de post-processing software procedures die de definitieve dataset produceren gebruikt (Zie Protocol, sectie 8).

Een ander onderdeel van de specifieke software werd gerealiseerd en uitgevoerd op het werkstation real-time om feedback te geven aan de exploitant, door de huidige Amerikaanse sonde positie aan MIJNHEER beelden en, in het bijzonder aan de set van vooraf gedefinieerde poses. Een server-side software routine in Python verwerkt de motie tracker-logboekbestand, vertaalt de huidige Amerikaanse sonde positie in een geometrische vorm, en stuurt de gegevens naar een server Paraview. Een Paraview client verbindt naar dezelfde Paraview server en in real time toont de positie van de geometrische vorm, gesuperponeerd op de afbeelding van een heer en verdere geometrische vormen met een beschrijving van de vooraf gedefinieerde poses. Een voorbeeld van het resulterende visualisatie in real time wordt weergegeven in Figuur 17.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

alle biologische monsters getoond in deze video zijn verkregen via de standaard voedselvoorzieningsketen. Deze exemplaren zijn behandeld overeenkomstig de ethische- en veiligheidsreglementering van de betrokken instellingen.

Opmerking: het diagram in Figuur 4 geeft een overzicht van de 8 belangrijkste fasen van dit protocol. Stappen 1 tot en met 4 betrekking hebben op initiële werkzaamheden, slechts eenmaal worden uitgevoerd vóór het begin van de Amerikaanse Beeldacquisitie en de stadia verwerking. Deze eerste fasen zijn als volgt: 1. voorlopig ontwerp van de experimentele opstelling en een phantom agar (te gebruiken in de kalibratie procedures); 2) voorbereiding van de ex vivo boviene hersenen; 3. de verwerving van MIJNHEER beelden van de hersenen; 4. definitie van kwalitatieve poses voor Amerikaanse Beeldacquisitie als doelwit worden gebruikt. Fasen 5 tot en met 8 hebben betrekking op de overname en de verwerking van beelden van de VS. Deze fasen zijn: 5. experimentele opstelling, waarin alle instrumenten zijn aangesloten en geïntegreerd, en alle doelstellingen zijn gepositioneerd en gecontroleerd; 6. kalibratie van de Amerikaanse sonde uitgerust met passieve markeringen voor navigatie; 7. verwerving van Amerikaanse beelden van de boviene hersenen ondergedompeld in water, zowel in vooraf gedefinieerde poses en " freehand modeŔ 8. post verwerking en visualisatie van de gecombineerde MR / U.S. image dataset. Terwijl 5e etappe kan slechts eenmaal worden uitgevoerd aan het begin van experimentele activiteiten, moeten de stappen 6 en 7 per elke betrokken VS-sonde worden herhaald. Stap 8 kan worden uitgevoerd slechts eenmaal op de gehele dataset gecombineerd, wanneer alle overnames zijn voltooid.

Figuur 4 : experimentele protocol werkstroom. Het blokdiagram illustreert de belangrijkste stappen van het protocol, met inbegrip van een lijst van de belangrijkste activiteiten in elke stap. Stap 1-5 betrekken eerste activiteiten en setup voorbereiding voor ons overnames; ze zijn dus slechts eenmaal uit te voeren. Fase 6 en 7 betrekken acquisities in VS en moeten worden herhaald voor elke sonde. Stap 8, oftewel na beeldverwerking, kan slechts eenmaal worden uitgevoerd aan het einde. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

1. voorlopig ontwerp

ontwerp en de validatie van landmark positionering
Opmerking: de volgende procedure definieert een consistente strategie voor de plaatsing van bezienswaardigheden, moet worden gebruikt voor de kalibratie van de motion tracking systeem beschreven in sectie 6.
1. Bereiden een piepschuim hoofd mannequin door te snijden uit een vorm ongeveer vergelijkbaar met die van de boviene hersenen (hoogte = 180 mm, breedte = 144 mm, lengte = 84 mm) met een mes.
2. Invoegen 6 patronen van 3 Flint Glazen bollen (3 mm doorsnede) in de polystyreen hersenen, gerangschikt op de hoekpunten van een gelijkzijdige driehoek met zijde van ongeveer 15 mm, en niet verder dan 1 mm van het buitenoppervlak (Zie Figuur 5 ).
3. Sluit de motion tracking systeem om de laptop via USB. Open de tracking tool, start beweging bijhouden en controleren dat wanneer het aanraken van de glazen bollen in de polystyreen hersenen, het hulpmiddel aanwijzer binnen het gezichtsveld bijhouden blijft, zichtbaarheid en effectieve toegankelijkheid controleren tijdens de experimenten.

Figuur 5 : polystyreen model van de hersenen gebruikt tijdens de voorlopige ontwerpfase. Het hoofd van polystyreen mannequin, goed gesneden om na te bootsen de boviene hersenen afmetingen, werd gebruikt om te kiezen van de positionering van de glazen bol patronen in de hersenen. Zes driehoekige patronen van bollen, met een diameter van 3 mm, hebben is geïmplanteerd in de piepschuimen model, zoals in de afbeelding, dat wil zeggen drie patronen aan de rechterkant en drie op de linker hersenen hemisferen. < een href="//ecsource.jove.com/files/ftp_ Upload/55798/55798fig5large.jpg"target ="_blank"> Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

agar phantom voorbereiding
Opmerking: deze stappen kunt ter voorbereiding van een laboratorium-en-klare agar phantom moet worden gebruikt voor kalibratie procedures (punt 6.1).
1. Verdund in een bekerglas van 100 g van glycerine en 30 g agar in gedistilleerd water 870 g. Roer het mengsel, terwijl het verhogen van de temperatuur tot 90 ° C, gedurende 10-15 min. Giet het mengsel te vullen een 13 x 10 x 10 cm voedsel container en het in de ijskast voor minstens één dag houden.
2. Verwijderen de agar phantom uit de koelkast. Kleur 6 glazen bollen met een geel glazuur (voor betere zichtbaarheid) en voeg 2 patronen van 3 glazen bollen elke in de agar phantom (d.w.z. één per grote kant van het blok), niet verder van het oppervlak dan 1 mm ( Figuur 6).
3. Voor behoud wanneer niet in gebruik, het spook van de agar in een oplossing van water en benzalkoniumchloride, met behulp van een verzegelde plastic voedsel verpakking, onderdompelen en het in de ijskast houden.

Figuur 6 : Agar phantom. De figuur toont de agar phantom, waarin een geïmplanteerde patroon van drie geelgeverfde Glazen bollen (aangegeven door de zwarte pijlen) duidelijk zichtbaar in de onderrand is. De aanwijzer knopinfo, gebruikt voor het meten van de bol posities tijdens de kalibratiefase reeds zijn geïnstalleerd, wordt ook weergegeven in de buurt van de phantom. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

2. boviene hersenen voorbereiding en fixatie

verwerven de ex vivo boviene hersenen uit het voedsel dat standaard toeleveringsketen. Vervoer op ijs (voor behoud). Typisch, zoals in dit geval, de hersenen ex vivo wordt ter beschikking gesteld na hebben verwijderd van het dier.
Verwijderen van de hersenen uit ijs en plaats deze in een zuigen kap. Houd het in de kap voor de daarop volgende voorbereidings-stappen. Isoleren van de hersenhelften, door het scheiden van de kleine hersenen, hersenstam, mesencephalon en pons, met een chirurgisch mes, snijden door middel van de structuren op het ventrale oppervlak van de hersenen.
Met de polystyreen etalagepop als een referentie voor positionering, implantaat 6 driehoekige patronen van 3 bollen in de cortex van de frontale, temporele en achterhoofdlobben. Zorg ervoor dat de vooraf gedefinieerde voorwaarden (d.w.z. gelijke afstand van de oppervlakte en onder bollen) wordt voldaan. Voor zichtbaarheid, markeren de standpunten van alle de bollen op de hersenen oppervlak met een groene weefsel markering kleurstof voor histologie ( Figuur 7).
Onderdompelen de hersenen in 10% gebufferd formaline-oplossing. Gebruik een plastic container voor anatomische delen ( Figuur 8). Laat de hersenen in de container met formaline voor minstens 3 weken, tot de fixatie-proces voltooid is.
Let op: formaline is een giftige chemische stof en moet worden behandeld met zorg; specifieke verordeningen kunnen ook toepassen, bijvoorbeeld ons OSHA standaard 1910.1048 App. A.

Figuur 7 : boviene hersenen voorbereiding en implantatie van de glazen bollen. De hersenen van runderen wordt bereid door een deskundige patholoog door de anatomische delen in overmaat te verwijderen en vervolgens het implanteren van de glazen bol patronen, volgens de eerder ontworpen configuratie (a). Het gebied posities zijn vervolgens gemarkeerd met een groene kleurstof op het oppervlak van de hersenen (b). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 8 : boviene hersenen fixatie in formaline. De runderen hersenen met de geïmplanteerde Glazen bollen is ondergedompeld in 10% gebufferd formaline-oplossing in een kunststoffles voor anatomische delen (a). Na een periode van op minstens 3-weken, de fixatie-proces is voltooid (b) en de hersenen kan worden gebruikt voor afbeelding overnames. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

3. MIJNHEER Beeldacquisitie

Extract van de hersenen van formaline oplossing, wassen in water's nachts, plaatst u deze in een schone plastic container, en verzegel it.
Zet de container in de heer hoofd spoel en leg deze in de heer scanner.
Uitvoeren heer scant een 3 T heer scanner begiftigd met een 32-kanaals hoofd spoel ( Figuur 9) in dienst. Drie sets van beelden met T1, T2 en CISS sequenties met een resolutie van ³ mm 0.7x07x1 en 0.5x0.5x1 mm ³ voor T1/T2 en CISS sequenties, respectievelijk te verwerven. De heer beelden in DICOM-indeling opslaan met behulp van de softwarehulpmiddelen van de scanner MIJNHEER.
Na gebruik, het onderdompelen van de hersenen in 10% gebufferd formaline. De verworven heer beelden uit de heer scanner overbrengen in een verwerking werkstation.

Figuur 9 : heer Beeldacquisitie. De runderen hersenen, verzegeld in een schone plastic container, is de 3 T heer scanner voor MIJNHEER afbeelding overnames gestoken. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

4. definitie van kwalitatieve poses voor acquisities in VS afbeelding

Opmerking: deze procedure definieert een set van kwalitatieve poses, met betrekking tot de heer beelden, waarin de zichtbaarheid van de hersengebieden die bevatten duidelijk herkenbare anatomische structuren en goed gedifferentieerde weefsels (vooral witte en grijze stof) is gemaximaliseerd in Amerikaanse beelden.

Open de heer beelden in DICOM formaat met Paraview softwaretool (voortaan, visualisatie software). Hebben een expert visualiseren de beelden zowel als segmenten en 3D-volume, zoals vereist.
Inspecteren elk beeld van de heer in de dataset te beoordelen van de zichtbaarheid van anatomische structuren en weefsels (bijvoorbeeld laterale ventrikels, corpus callosum, grijze stof van de basale ganglia).
3D ruimtelijke subregio selecteren het referentiebeeld heer met de beste herkenbare visuele functies en ongeveer definiëren de knipvlakken voor maximale zichtbaarheid. Identificeren van 12 vooraf gedefinieerde houdingen voor Amerikaanse Beeldacquisitie, elk met een aanzienlijke reeks van visuele functies.
Voor elke virtuele pose, gebruiken " bronnen > Cone " maken een 3D Cone als een visuele bezienswaardigheid. Passen op elke Kegel hoogte 40 mm en straal tot 2 mm en handmatig de positie van de kegel in het 3D gezichtsveld ( Figuur 10). Het complex van MIJNHEER afbeelding 3D, vliegtuigen, en de regio's bezienswaardigheden opslaan als een bestand Paraview staat.

Figuur 10 : vooraf gedefinieerde houdingen voor Amerikaanse afbeelding overname. De markers in (a) Toon de posities van de 12 geselecteerde poses in de 3D-MR image frame worden bereikt door de exploitant voor VS beeld acquisitie. (B) de heer worden vliegtuigen die overeenkomt met de geselecteerde poses getoond; de rode markering vertegenwoordigt de Amerikaanse sonde positie (aangegeven in de heer beeldruimte) verplaatsen in real-time, totdat een van de witte markers wordt bereikt en de gewenste afbeelding van de VS kan worden verkregen door het systeem. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

5. experimentele opzet

milieu en doelstellingen
Opmerking: deze stap wordt beschreven op de voorbereiding van de installatie en de instrumenten voor Amerikaanse overname experimenten.
1. Positie per 50 x 50 x 30 cm kunststof tank op een tafel en vul deze met ontgaste water tot op een hoogte van 15 cm. de positie de motion tracking systeem zodat het waterreservoir zichtbaar van boven en volledig binnen haar gezichtsveld is ( Figuur 11 ) en de laptop via USB verbinden met de motie-tracker.
2. Uitvoeren van de draaiende procedure voor het kalibreren van de aanwijzer met behulp van het hulpprogramma voor het bijhouden van de ontwerpresolutie tracking systeem ³⁴.
3. Plaats van de ULA-OP systeem op tafel en sluit deze aan op de laptop via USB, om ervoor te zorgen dat het beeldscherm duidelijk zichtbaar aan de Amerikaanse sonde exploitant is. Plaats van het werkstation op de tabel en zorg ervoor dat het scherm duidelijk zichtbaar is voor de exploitant is.
4. Halen de hersenen uit formaline-oplossing en wassen in water. Immobiliseren het op een bord van kunsthars, met behulp van segmenten van naaien draad en lijm strepen ( Figuur 12).
5. Onderdompelen van de plaat met de hersenen in de tank en te verifiëren dat de hele ruimte rond de hersenen binnen het gezichtsveld van de motie tracker past, met de aanwijzer en de software tracking tool.

Figuur 11 : instellen van de experimentele overnames met de motie volgsysteem. Het volgen van de sensor van de beweging wordt geplaatst boven de watertank waarin de hersenen van runderen wordt ondergedompeld, zodat het doel en de sonde met de geklemd reflecterende markers volledig binnen het gezichtsveld van de meting passen. < een href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55798/55798fig11large.jpg" target = "_blank"> Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 12 : positionering van de boviene hersenen in de waterreservoir. De runderen hersenen is op een plaat van kunsthars geïmmobiliseerd door middel van twee garens (geplaatst langs de longitudinale kloof) en vast op de plaat met zelfklevende strepen. De plaat en de runderen hersenen zijn vervolgens ondergedompeld in het waterreservoir. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

de Amerikaanse sonde aansluiten en configureren van ULA-OP voor het uitvoeren van de scans.
1. De Amerikaanse sonde verbinden met de ULA-OP systeem.
2. Het ULA-OP systeem via de configuratie-bestanden en zijn interface van de software van de computer ( Figuur 13) configureren.
  1. Definiëren een duplex-modus bestaande uit twee afwisselende B-modi met twee verschillende operationele frequenties (7 MHz en 9 MHz). Een bipolaire uitbarsting van 1-cyclus voor elke modus instellen De focus van transmission vastgesteldop 25 mm inbouwdiepte en dynamische gericht in ontvangst met F #= 2 sinc apodization function.
  2. Configureren van het systeem op te nemen beamformed en in-fase en kwadratuur (ik / Q) gegevens gedemoduleerd.
3. Een paar overname tests om ervoor te zorgen volledige operativity uit te voeren.
  1. Het bevriezen van het systeem, door te klikken op de " Freeze " wisselknop in de ULA-OP software. De autosave-modus inschakelen door te klikken op de toggle-knop die als de drie diskettes verschijnt. Op het pop-up venster, die wordt weergegeven aan het einde van de overname, schrijf de bestandsnaam en klik op " opslaan ".

Figuur 13 : Experimentele opstelling voor ons image acquisitie. De ULA-OP systeem is aangesloten op de laptop geplaatst in de buurt van het waterreservoir, zodat het display duidelijk zichtbaar aan de Amerikaanse sonde exploitant tijdens overnames is. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

klemmen voor het passieve reflecterende markeringen op de Amerikaanse sonde
Opmerking: deze procedure uitvoert, een solide assemblage van de Amerikaanse sonde en de passieve reflecterende markers wordt gemaakt voor latere overnames van beeld en positie gegevens.
1. Zoeken een geschikte positie voor de klem op de Amerikaanse sonde handvat. Klem de passieve reflecterende markers op de Amerikaanse sonde handvat ( Figuur 14).
2. Een paar overname tests (zie stap 5.2.3) uitvoeren om ervoor te zorgen dat de klem is stabiel, de markers zijn duidelijk zichtbaar door de beweging tracking systeem, terwijl de Amerikaanse sonde wordt vastgehouden in de verwachte werkhouding.

Figuur 14 : passieve tool met Als gevolg van markeringen geklemd op de 3D-imaging piëzo-elektrische sonde. De tool met markeringen is goed geklemd en gefixeerd op het 3D-imaging piëzo-elektrische sonde handvat, zodat zij een Verenigde Vergadering vormen moet worden gebruikt voor VS-beeld en positie data-acquisitie op hetzelfde moment. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

6. kalibratie

Opmerking: deze sectie beschrijft de experimentele gedeelte van het protocol die de informatie verzamelt voor het berekenen van de vereiste transformaties onder de verschillende ruimtelijke referentiekaders betrokken. Zie hoofdstuk 9 voor wiskundige details over de berekeningsmethode. De softwareroutines in de programmeertaal voor de kalibratie MATLAB zijn beschikbaar als open-source bij https://bitbucket.org/unipv/denecor-transformations.

Vanuit nl afbeelding naar het frame dat passieve gereedschap geklemd op de Amerikaanse sonde
Opmerking: de volgende kalibratieprocedure wordt gebruikt voor het berekenen van de rigide transformatie waarmee ruimtelijke functies toewijzen aan Amerikaanse beeld voxels in de lokale referentiekader van de passieve tool geklemd op de sonde. Het moet worden herhaald voor elke montage van een passief instrument op een Amerikaanse sonde.
1. Positie de agar phantom in volledige onderdompeling in het water tank. Start de logboektoepassing dat records plaats van gegevens en de standpunten van elk van de 6 glazen bollen in de phantom met het gereedschap Aanwijzer, agar verzamelen terwijl het bijhouden van haar ontwerpresolutie.
2. Verwerven een Amerikaanse plaatje per elk patroon van 3 bollen in de agar phantom ( Figuur 15) (stap 5.2.3). Plaats de Amerikaanse sonde via de mechanische arm met behulp van de functie van de pre-visualisatie van de ULA-OP systeem, zodat een volledige patroon van drie bollen binnen het gezichtsveld is. Verwerven en sla de overeenkomstige Amerikaanse afbeelding.
3. Overzetten van alle Amerikaanse beelden in ULA-OP formaat, samen met van de motie tracker log-bestanden, naar het werkstation.
4. Open elke afbeelding van de VS in de visualisatie software handmatig markeren de positie van de 3 glazen bollen in elk van hen en transcriberen de 3D posities in een CSV-bestand.
5. Berekenen de rigide transformatie van VS-naar-marker tussen de twee referentiekaders (Zie de open-source code geboden en sectie 9).

Figuur 15 : overname van VS beelden van de agar phantom voor kalibratie. De exploitant beweegt de Amerikaanse sonde (de CMUT sonde) over de phantom agar te verwerven twee ons beelden met de twee patronen van het ingesloten gebied, zoals in real-time door de ULA-OP software op het computerscherm. De verworven beelden worden vervolgens gebruikt voor het berekenen van de transformatie van de Amerikaanse beeldruimte naar de ruimte van de passieve tool met markeringen geklemd op de sonde. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

van de motie tracker ruimte aan de heer beeldruimte
Opmerking: de volgende kalibratie-bewerkingen worden gebruikt voor het berekenen van de rigide transformatie van de motion tracking systeem referentiekader aan de heer afbeelding referentiekader en moeten worden herhaald voor elke plaatsing van de hersenen in het operationele bereik van de beweging tracker. De laatste twee stappen in deze procedure moeten worden herhaald voor elke afzonderlijke afbeelding van de heer.
1. Positie de hersenen in volledige onderdompeling in het water tank. Begin van de logboektoepassing en verzamel de standpunten van elk van de 18 Glazen bollen met het gereedschap aanwijzer ( Figuur 16). Overdracht van de beweging tracker logboekbestanden op het werkstation.
2. Open elke afbeelding van de heer van de hersenen in de visualisatie software handmatig markeren de positie van elk van de 18 Glazen bollen en de bijbehorende 3D-coördinaten opslaan als CSV bestanden.
3. Berekenen de motie tracker-naar-MR rigide transformatie tussen de twee referentiekaders (Zie de open-broncode en sectie 9).

Figuur 16 : verwerving van de posities van de glazen bollen geïmplanteerd in de boviene hersenen voor kalibratie. De aanwijzer knopinfo wordt gebruikt om te verwerven, één voor één, de standpunten van de 18 Glazen bollen geïmplanteerd in de boviene hersenen ondergedompeld in water. Deze posities worden gebruikt voor het berekenen van de transfORMATION van de motion tracking systeem ruimte aan de heer beeldruimte. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

7. echografie overname

Opmerking: de softwareroutines in Python voor Paraview, voor de visualisatie in real time procedure, zijn beschikbaar als open-source bij https://bitbucket.org/unipv/denecor-tracking.

Beelden van de overname van de V.S. van de vooraf gedefinieerde poses
1. klem de markeringen op de Amerikaanse sonde en voer de kalibratieprocedure (afdelingen 5.3 en 6.1). Positie van de hersenen en voer de kalibratieprocedure (punten 5.1 en 6.2).
2. De twee stijve transformatie parameters verzamelen (U.S.-naar-marker en motion tracker-naar-MR) berekend in stap 6.1.5 en 6.2.3, en deze bestanden naar de map van de visualisatie in real time procedure geïmplementeerd in Python en de visualisatie software ( figuur 10b).
3. De procedure van de visualisatie in real time met de visualisatie software starten (Zie de open-source-code) en controleer of de huidige positie van de Amerikaanse sonde correct is weergegeven ( Figuur 17).
4. Start de logboektoepassing voor de registratie van de positie van de sonde. Handmatig overeenkomt met elke kwalitatief vooraf gedefinieerde positie, zoals weergegeven in de visualisatie software, met de Amerikaanse sonde en de bijbehorende afbeelding met het ULA-OP systeem (stap 5.2.3) verwerven. Stop de twee toepassingen en overdracht van alle Amerikaanse beelden in ULA-OP formaat en bewegings-tracker logboekbestanden naar het werkstation.

Figuur 17 : overname van VS beelden van de vooraf gedefinieerde poses. De exploitant beweegt de Amerikaanse sonde te bereiken van de vooraf gedefinieerde poses; de procedure wordt ondersteund in real-time door een Python-routine, die de positie van de sonde over het 3D beeld van de heer van de hersenen op het werkstation display toont, met behulp van de visualisatie software. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

verwerving van freehand, poses met lineaire VS sondes voor wederopbouw van de 3D-afbeelding verplaatsen
Opmerking: de volgende stappen zijn bedoeld voor lineaire VS sondes alleen en laat de verwerving van sequenties van 2D vlakke VS beelden die , samen met gegevens uit de motion tracking systeem positionering, nodig zijn voor de wederopbouw van het 3D-volume.
1. Klem de markeringen op de Amerikaanse sonde en voer de kalibratieprocedure (afdelingen 5.3 en 6.1). Positie van de hersenen en voer de kalibratieprocedure (punten 5.1 en 6.2).
2. handmatig op de beoogde eerste pose (bijvoorbeeld de frontale einde van elk halfrond). De overname van elke Amerikaanse Afbeeldingsvolgorde beginnen met het ULA-OP systeem (stap 5.2.3) en de logboektoepassing voor sonde positie opname.
3. Een langzame, freehand beweging van toepassing op de Amerikaanse sonde naar de beoogde uiteindelijke pose (bijvoorbeeld het distale einde van elke hemisfeer van de hersenen). Stoppen met de overname van ons beelden met de ULA-OP systeem en stoppen van de sonde tracking. Overdracht van alle Amerikaanse beelden in ULA-OP formaat en bewegings-tracker logboekbestanden naar het werkstation.

8. Post-verwerking en visualisatie

post-processing van freehand sequenties van ons beeld
Opmerking: deze procedure is geïmplementeerd in MATLAB programmeertaal en wordt toegepast op elke freehand opeenvolging van 2D beelden van de VS in de ULA-OP indeling, om volledige 3D beelden te produceren.
1. Belasting de volgorde van VS beelden in de ULA-OP-formaat. Overeenkomen met de volgorde van de beelden van de VS met de motie-tracker log-bestanden. Uittreksel van een reeks van getimede posities van de log-bestanden die zijn opgenomen in de temporele interval gaan vanaf het begin tot het einde van de acquisitie proces, zoals geregistreerd door de ULA-OP systeem.
2. Berekenen het exacte tijdstip van elke afbeelding van de VS in de volgorde met behulp van de parameters opgenomen door de ULA-OP systeem.
3. Berekenen de positie die is gekoppeld aan elke afbeelding van de VS in de reeks, door interpoleren tussen de twee dichtstbijzijnde getimede standpunten opgenomen door de motion tracking systeem. Gebruik van lineaire interpolatie tussen vertaling vectoren en sferische lineaire interpolatie (SLERP) tussen rotaties, uitgedrukt als quaternionen.
  Noot: Gaan er de mediane VS afbeelding in de volgorde - dat wil zeggen het beeld op het standpunt dat best de volgorde in twee helften van (ongeveer) gelijke lengte - als een referentie voor het definiëren van de 3D Amerikaanse image frame partities.
4. Toepassen van een logaritmische compressie, normaliseren van het beeld tot zijn maximum en een drempel (meestal-60 dB) van toepassing op elk vlak in het Amerikaanse beeld.
5. Met betrekking tot het referentiekader, berekenen en een relatieve ruimtelijke transformatie toepassen op elk van de andere Amerikaanse beelden in de reeks te verkrijgen van een bundel van ruimtelijk gelegen vlakken.
6. op de structuur van ruimtelijk gelegen vlakken te produceren een Cartesiaans 3D matrix van voxels. De cartesiaanse 3D matrix van voxels als een .vtk bestand opslaan en opnemen van de interval tijdstempels die met overname timing corresponderen.
Post-processing van andere Amerikaanse beelden (niet freehand sequenties)
Opmerking: de volgende procedure wordt toegepast op elke afbeelding van de VS in de indeling van de ULA-OP behalve naar freehand sequenties (sectie 8.1).
1. Belasting de VS afbeelding in de indeling ULA-OP. Een logaritmische compressie toepassen, het beeld tot zijn maximum te normaliseren en een drempel (meestal-60 dB) van toepassing op elk vlak in het Amerikaanse beeld.
2. Voor 3D beelden van de VS, pas een lineaire interpolatie routine (d.w.z. scan conversie) de structuur van ruimtelijk gelegen vlakken te produceren een Cartesiaans 3D matrix van voxels.
3. Opname opslaan het beeldvlak of de cartesiaanse 3D matrix van voxels als een .vtk-bestand, de interval tijdstempels die met overname timing corresponderen.
Beelden van de registratie van de Amerikaanse
Opmerking: deze sectie beschrijft de procedures voor het uitvoeren van de definitieve registratie van VS en MIJNHEER beelden, berekend met behulp van de twee transformaties tijdens eerdere kalibratie stappen, en de positiegegevens van de Amerikaanse sonde opgenomen tijdens overnames. De softwareroutines in de MATLAB programmeertaal voor registratie van ons beelden zijn beschikbaar als open-source op https://bitbucket.org/unipv/denecor-transformations.
1. Het beeld van de VS in .vtk formaat laden.
2. Overeenkomen met de timing van het V.S.-beeld met motie tracker log-bestanden. Uittreksel van een reeks van getimede posities van de log-bestanden die zijn opgenomen in de temporele interval gaan vanaf het begin tot het einde van de acquisitie proces, zoals vastgelegd in de .vtk afbeelding.
3. Berekenen een gemiddelde positie voor de afbeelding van de VS. Gebruik lineair gemiddeld voor vertaling vectoren en breng het algoritme beschreven in verwijzing ³⁵ voor rotaties, uitgedrukt als quaternionen.
4. Laden de VS-naar-marker transformatie die overeenkomt met de specifieke afbeelding van de VS. Laden van de motie tracker-naar-MR transformatie die overeenkomt met de specifieke afbeelding van de VS en de heer afbeelding van keuze.
5. De gemiddelde positie samen met de bovenstaande twee transformaties gebruiken voor het berekenen van de VS-naar-MR rigide registratie transformatie en opslaan de laatste in verschillende formaten, met inbegrip van de vertaling en de Euler-hoeken waarmee het visualiseren van de afbeelding van de VS in de heer image frame van keuze.
Visualisatie van geregistreerde beelden van de Amerikaanse
Opmerking: Dit zijn de laatste stappen te visualiseren de verworven VS en MIJNHEER beelden en om te laten zien na superpositie in de visualisatie software, met behulp van de eerder berekende transformaties.
1. Start de visualisatie software en laad de heer afbeelding van keuze. Alle relevante VS afbeeldingen laden. Voor elke afbeelding van de VS, een Paraview transformatiebestand maken en de berekende VS-naar-MR registratie transformatie ( Figuur 18) toepassen op de afbeeldingsgegevens.

9. Calibratiemodellen en transformaties

Opmerking: deze sectie beschrijft de wiskundige details van de kalibratie en transformatie technieken gebruikt in het protocol gepresenteerd. Het experimentele protocol omvat vier verschillende referentiekaders die moet goed worden gecombineerd: 1) de VS image frame, die afhangt van zowel de fysieke kenmerken van de Amerikaanse sonde en de configuratie van de scanner die ruimtelijke coördinaten (x koppelt y, z) naar elke voxel in een Amerikaanse afbeelding (voor uniformiteit, alle 2D vlakke afbeeldingen zijn verondersteld dat y = 0); 2) het frame van de Marker (M), die inherent is aan het passieve marker-hulpprogramma dat is vastgeklemd zit op de Amerikaanse sonde (punt 6.1); 3) de motion Tracking Systeem (TS) frame, dat inherent aan het tracking instrument is; 4) de heer image (MRI) frame, die wordt gedefinieerd door de scanner, die ruimtelijke coördinaten (x, y, z) naar elke voxel in een heer afbeelding koppelt. Voor gemak en eenvoud van notatie, de procedures in deze sectie worden beschreven met behulp van rotatie matrices (d.w.z. richting cosinus matrices) en niet quaternionen ³⁶.

Vanuit nl naar M frame
Opmerking: de experimentele kalibratieprocedure in de sectie 6.1 produceert de volgende informatie: 1) 3D posities (p ₁, …, p ₆) _TS van de 2 patronen van 3 bollen elke, opgenomen in de agar phantom en gemeten in het frame van de tracker beweging; 2) 3D standpunten van elk van de dezelfde twee patronen (p ₁, …, p ₃) _ons en (p ₄, …, p ₆) _U.S. gemeten in elk van de twee Amerikaanse beelden verworven; 3) een transformatie (R _{M > RD}, t _{M > TS}), waar R een rotatie-matrix is en t een vector van de vertaling is, gemeten door de positionering instrument, die Beschrijving van de relatieve positie van het gereedschap van de passieve marker (alle rotaties gemeten door de motion tracking systeem worden gerapporteerd als quaternionen, die moet worden vertaald in rotatie matrices).
1. Toepassen het algoritme in verwijzing ³⁷ bij elk van de twee paren van lijsten (p ₁, …, p ₃) _ons, (p ₁, …, p ₃) _TS en (p ₄, …, p ₆) _ons, (p ₄, …, p ₆) _TS, voor twee transformaties van het type (R _{U.S. > RD}, t _{U.S. > TS}), elk overeenkomen met een specifieke ons image ruimte.
  1. Compute een raming van de gewenste transformatie (R _{U.S. > M}, t _{U.S. > M}) van elk van de bovenstaande transformaties op de volgende manier:
    R _{U.S. > M} = R ^T _{M > TS} R _{U.S. > TS}
    t _{U.S. > M} R ^T = _{M > TS} (t _{U.S. > TS -} t _{M > TS})
    Opmerking: de twee schattingen worden gecombineerd door het rekenkundige gemiddelde van de vectoren te t _{U.S. > M} en gemiddeld de rotatie matrices R _{U.S. > M} met behulp van de methode in verwijzing ³⁵, na eerst matrices hebben vertaald in quaternionen en de resulterende quaternionen terug in een rotatie matrix.
Van motion tracking systeem aan MRI frame
Opmerking: de procedure van punt 6.2 produceert de volgende informatie: 1) 3D posities (p ₁, …, p ₁₈ ) _TS van de 6 patronen van 3 bollen elke opgenomen in de hersenen van runderen, gemeten in de motion tracking systeem frame; 2) 3D standpunten van de dezelfde 18 bollen (p ₁, …, p ₁₈) _MRI gemeten in de doelafbeelding voor de heer.
1. Rechtstreeks de gewenste transformatie te berekenen (R _{TS > MRI}, t _{TS > MRI}) door toepassing van het algoritme in ³⁷ op de twee lijsten met posities.
Vanuit nl naar MRI frame
Opmerking: The US afbeelding overname procedure die wordt beschreven in sectie 7 produceert beelden waarvoor, na het oplossen van de tijdstempels die tegen de motie tracker log-bestanden, de transformatie is gekoppeld ( R _{M > RD}, t _{M > TS}) direct wordt berekend.
1. Berekenen de gewenste transformatie op de volgende manier:
  R _{U.S. > MRI} = R _{TS > MRI} R _{M > TS} R _{U.S. > M}
  t _{U.S. > MRI} = R _{TS > MRI}(R_M>TSt_US>M + t_M>TS) + t _{TS > MRI}

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Het belangrijkste resultaat bereikt via het protocol beschreven is de experimentele validatie van een effectieve en herhaalbare beoordelingsprocedure voor de 2D en 3D grafische mogelijkheden van ons sonde prototypen die zijn gebaseerd op CMUT technologie, in de prospectieve toepassing naar hersenen Imaging. Na het uitvoeren van alle stappen beschreven protocol, een expert kunt toepassen op de visualisatie softwarefuncties (bijvoorbeeld gratis oriëntatie snijden deelverzameling extractie, volume interpolatie, enz.) om het vergelijken van de visuele inhoud van geregistreerd De beelden van de VS met een heer van de doelafbeelding. In het bijzonder vertegenwoordigt de kwaliteit van de beelden verkregen, en in directe vergelijking met de gouden standaard van de MRI, een eerste en belangrijke bewijs voor het potentieel van CMUT technologie op dit gebied.

Als een voorbeeld van een mogelijke visuele vergelijking, Figuur 18 ziet u twee sneetjes volumetrische beelden verkregen met de CMUT ons sonde en de piëzo-elektrische lineaire-matrix sonde, respectievelijk in superpositie aan de dezelfde overeenkomstige segment in een T2-gewogen heer beeld. T2-gewogen heer beelden bleek te zijn meest effectieve in termen van zichtbaarheid van de gewenste functies in deze experimenten, en daarom werden gekozen als verwijzingen voor superpositie. De twee beelden van de VS in de figuur overgenomen op dezelfde frequentie van 9 MHz. Zoals te zien in Figuur 18, heeft het beeld verkregen met de CMUT sonde betere resolutie en contrast; ook de opvallende visuele kenmerken zijn beter gedefinieerd en de structuren van de Sulcus (hersenanatomie) en gyri zijn duidelijker zichtbaar, waaruit blijkt dat de hogere gevoeligheid en bredere bandbreedte van de CMUT sonde prestatieverbetering verwezenlijken.

Figuur 18 : Superpositie van geregistreerde VS en MIJNHEER afbeeldingssegmenten. De figuur toont de bereikte registratie van de heer en ons beelden verkregen met de CMUT (a, c, e, g) en piëzo-elektrische (b, d, f, h) lineaire matrix sondes. In (a) en (b) de gereconstrueerde 3D dataset omtrekken worden weergegeven in de ruimte van de heer en het geselecteerde 2D segment wordt gemarkeerd. Panelen (c, e, g) en (d, f, h) presenteren de bovenliggende segmenten van de VS en de heer met toenemende transparantie aan de correspondentie van de functies in beide afbeeldingen weergeven. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Verder zijn de vergelijkende voorbeelden, die betrekking hebben op 3D volumetrische afbeeldingen, vertegenwoordigd in Figuur 19 en figuur 20. Figuur 19 toont twee 3D-beelden, een met de piëzo-elektrische lineaire sonde verkregen na volumetrische wederopbouw, en andere verkregen met de mechanisch geveegd piëzo-elektrische sonde voor 3D-beeldbewerking. Figuur 20 toont de 3D volumetrische reconstructie van beelden verkregen met de CMUT-sonde. De 3D structuur van de gyri en de Sulcus (hersenanatomie) van de hersenschors zijn duidelijk zichtbaar in alle drie gevallen, hoewel in de volumes met de CMUT-sonde verkregen de externe oppervlakken zijn veel duidelijker zichtbaar en beter gedefinieerd.

Figuur 19 : Volumetrische 3D-beelden van de Amerikaanse verworven met de piëzo-elektrische sondes. Vergelijking tussen 3D-beelden van de Amerikaanse verworven met de mechanisch geveegd sonde (a, c), of gereconstrueerd op basis van platte 2D-afbeeldingen in freehand verworven met de lineaire sonde met behulp van de resolutie tracker positionering van gegevens (b, d). Onder a, b de standpunten van deze volumes worden weergegeven in de 3D-MIJNHEER image frame, met behulp van contouren. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 20 : 3D-beelden van de Amerikaanse verworven met de sonde CMUT gereconstrueerd. De vliegtuigen van de 2D-afbeelding in freehand verworven door het scannen van de boviene hersenen met de CMUT-sonde te reconstrueren 3D volumes, zijn gebruikt zoals in (c, d). Onder a, b de contouren van dergelijke volumes worden weergegeven in de 3D-MIJNHEER image frame. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

De experimenten gegenereerd als een belangrijke en aanvullende product, een uitgebreide multi sonde dataset van Amerikaanse beelden waarin positionering en registratiegegevens ten opzichte van verschillende heer beelden van hetzelfde doel. Figuur 21 geeft een overzicht van alle 3D-beelden in de dataset door de omsluitende kaders van elk van hen in superpositie aan dezelfde heer afbeelding tonen.

Figuur 21 : Verworven 3D Amerikaanse dataset in de heer afbeelding referentiekader. De figuur toont het 3D beeld van de heer van de hersenen en bovenliggende overzichten van de 3D-Amerikaanse datasets verworven met de piëzo-elektrisch mechanisch geveegd (a), piëzo-elektrische lineaire matrix (b) en CMUT (c) sondes. In (b) en (c), de 3D-beelden werden verkregen via volumetrische wederopbouw. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Over het geheel genomen, deze resultaten tonen aan dat de effectiviteit van de beschreven protocol, waardoor de verwerving en correcte registratie van 2D/3D ons beelden in het referentiekader van het 3D beeld van de heer van de dezelfde boviene hersenen (Figuur 18, 19), en te reconstrueren van de volumes van 2D beelden van Amerikaanse verworven in freehand modus (figuren 19 d, 20).

Met behulp van de softwarehulpmiddelen beschreven kunnen deskundigen visueel verkennen de belangrijkste functies in 2D en 3D ons beelden van biologische monsters. Belangrijke voorbeelden van de kwalitatieve evaluatie van de CMUT sonde imaging prestaties is gebleken dat in vergelijking met die van andere sondes van de Verenigde Staten (Zie Figuur 18, Figuur 19 en 20 van de figuur) en verwijzing naar een afbeelding van de heer doel (Zie Figuur 18). Verder zijn verfijnde analyses mogelijk op de datasets van de afbeelding verkregen, hetzij door menselijke deskundigen of door de toepassing van andere software-technieken, zoals die voor digitale, verfijnd VS-MR registratie van 3D-beelden. Deze software technieken zal worden behandeld in de toekomst werken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Verschillende werken zijn aangebracht in de literatuur met een beschrijving van technieken die soortgelijk of in verband met het protocol gepresenteerd. Deze technieken zijn ook gebaseerd op het gebruik van realistische doelstellingen, met inbegrip van vaste dierlijke of cadaver hersenen, maar ze zijn voornamelijk ontworpen voor het testen van de digitale registratie methoden van verschillende soorten.

Het protocol beschreven hier, echter, heeft het specifieke doel van het Amerikaanse sondes in verschillende configuraties testen in de vroege stadia van ontwikkeling en, als gevolg van deze, het vervult een fundamentele eis van reproduceerbaarheid van overnames, namelijk op dezelfde biologische specimen en met vergelijkbare poses. Het protocol gepresenteerd leent van vele aspecten van de bestaande technieken boven en monteert ze in een andere rangschikking voor dit doel.

De lessen die hebben geleerd tijdens het ontwerp en de protocollen experimenten, behoren kalibratie procedures tot verreweg het meest kritieke aspect. Ondanks de vele verbeteringen vastgesteld, presenteren de algemene ruimtelijke fout van de hele verzameling van transformaties na kalibratie is op volgorde van 1 tot 1,5 mm. Deze fout is niet te wijten aan een gebrek aan precisie van de motie-tracker (die heeft een gedocumenteerde precisie in de volgorde van 0,3 mm), maar de moeilijkheid van het verwerven van precieze ruimtelijke lezingen over een biologische specimen dat enige flexibiliteit behoudt.

Aan de andere kant, in onze ervaring is de temporele nauwkeurigheid van synchronisatie niet een kritiek aspect. In feite, is het tarief van de overname van gegevens over posities door de motie-tracker ongeveer één orde van grootte groter is dan de motie van menselijke handen proberen te bereiken van een stabiele houding. Wegens dit, de tijd gemiddelden berekend in het protocol zijn verworven voor extra nauwkeurigheid. Een ander aspect dat is met name effectief is de definitie van virtuele poses. In de experimenten, dankzij de real-time visuele tracking routine, kon exploitanten rijden de verwerving van vergelijkbare beelden voor alle de twaalf virtuele poses van elk van de drie Amerikaanse sondes zonder veel inspanning en ondersteunende mechanische structuren.

Een mogelijke wijziging van het protocol, in de toekomst worden vastgesteld is het gebruik van verschillende en verbeterde kalibratie methoden, die op een nauwere lus en feedback van de ruimtelijke transformaties berusten. In de huidige vorm, in feite vereist het protocol aanzienlijke post-processing van ruimtelijke lezingen voor het berekenen van de transformatie-matrices. Hoewel deze activiteit kan worden uitgevoerd in tientallen minuten en geen experimenten vereist te worden offline gezet, biedt deze post-processing resultaten die niet kunnen worden gevisualiseerd onmiddellijk, tijdens het uitvoeren van de kalibratie. In dit opzicht zou een verbeterde en eventueel real-time visuele feedback van de kalibratie die verkregen zijn van grote hulp bij het bereiken van grotere precisie.

Voor de daadwerkelijke uitvoering van het protocol is het van fundamenteel belang dat de instrumenten die zijn redelijk open en laat de meerdere vereist integraties. Bijvoorbeeld, is de werkelijke mogelijkheid signalen afkomstig zijn uit verschillende bronnen - gewaarborgd door de toegang tot interne timing gegevens verstrekt door de ULA-OP systeem in dit geval - te synchroniseren is cruciaal voor zowel de kalibratie en de beeldverwerking post activiteiten.

Een andere belangrijke factor is software. Hoewel geen belangrijke software-instrumenten nodig voor de experimenten, een aantal C++ en MATLAB routines, plus Python gebaseerde modules voor Paraview waren, bleek van essentieel belang voor een aantal cruciale taken, zoals kalibratie, gedefinieerde motion-tracking feedback voor vooraf poses, en nabewerkingen voor 3D beeld wederopbouw. Nogmaals, is dat toegang tot low-level gegevens geproduceerd door de instrumenten uiterst belangrijk voor het maken van deze software-componenten.

Tot slot, de keuze van de juiste doelstelling voor imaging is zeer belangrijk. Verschillende alternatieve opties met betrekking tot de realisatie van synthetische phantoms vooraf werden onderzocht en in onze ervaring, al deze alternatieven leek te zijn in vergelijking met de zeer voordelige keuze van boviene hersenen in formaline vaste het suboptimale. Deze doelstelling zorgt voor een veel betere realisme en met de juiste zorg, onbepaalde behoud na verloop van tijd.

Kortom, is de verwezenlijking van de experimentele resultaten gepresenteerd, met de dataset 3D multimodale beeld als een permanente en relevante resultaat, volgens ons het product van een doeltreffende technische integratie-strategie die moet worden gemonteerd in de piecewise, door middel van een zorgvuldige analyse van de vele aspecten impliciet, en ontworpen met betrekking tot de procedures en instrumenten betrokken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Acknowledgments

Dit werk is gedeeltelijk ondersteund door de nationale regeringen en de Europese Unie via het project DeNeCoR van de ENIAC JU onder grant overeenkomstnummer 324257. De auteurs wil Prof. Giovanni Magenes, Prof. Piero Tortolì en Dr. Giosuè Caliano bedanken voor hun waardevolle ondersteuning, toezicht en inzichtelijke opmerkingen die dit werk mogelijk heeft gemaakt. Wij zijn ook dankbaar aan Prof. Egidio D'Angelo en zijn groep (BCC Lab.), samen met de Fondazione Istituto Neurologico C. Mondino, voor het verstrekken van het volgen van beweging en MIJNHEER instrumentatie, en Giancarlo Germani voor MIJNHEER acquisities. Tot slot bedank we de Dr. Nicoletta Caramia, Dr. Alessandro Dallai en mevrouw Barbara Mauti voor hun waardevolle technische ondersteuning en Mr. Walter Volpi voor het verstrekken van de boviene hersenen.

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

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).
Pappalardo, M., Caliano, G., Savoia, A. S., Caronti, A. Micromachined ultrasonic transducers. Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications. , Springer. 453-478 (2008).
Oralkan, O. Capacitive micromachined ultrasonic transducers: Next-generation arrays for acoustic imaging? IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 49 (11), 1596-1610 (2002).
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).
ENIAC JU project DeNeCoR website. , http://www.denecor.info (2017).
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).
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).
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).
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).
Farrer, A. I. Characterization and evaluation of tissue-mimicking gelatin phantoms for use with MRgFUS. J. Ther. Ultrasound. 3 (9), (2015).
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).
PVA brain phantom images website. , http://pvabrain.inria.fr (2017).
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).
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).
Unsgaard, G. Neuronavigation by Intraoperative Three-dimensional Ultrasound: Initial Experience during Brain Tumor Resection. Neurosurgery. 50 (4), 804-812 (2002).
Pfefferbaum, A. Postmortem MR imaging of formalin-fixed human brain. NeuroImage. 21 (4), 1585-1595 (2004).
Schulz, G. Three-dimensional strain fields in human brain resulting from formalin fixation. J. Neurosci. Meth. 202 (1), 17-27 (2011).
Ahrens, J., Geveci, B., Law, C. ParaView: An End-User Tool for Large Data Visualization. Visualization Handbook. , Elsevier. (2005).
Cloutier, G. A multimodality vascular imaging phantom with fiducial markers visible in DSA, CTA, MRA, and ultrasound. Med. Phys. 31 (6), 1424-1433 (2004).
Boni, E. A reconfigurable and programmable FPGA-based system for nonstandard ultrasound methods. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (7), 1378-1385 (2012).
Bagolini, A. PECVD low stress silicon nitride analysis and optimization for the fabrication of CMUT devices. J. Micromech. Microeng. 25 (1), (2015).
Savoia, A. Design and fabrication of a cMUT probe for ultrasound imaging of fingerprints. Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 1877-1880 (2010).
Fenster, A., Downey, D. B. Three-dimensional ultrasound imaging. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2, 457-475 (2000).
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).
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).
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).
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).
Savoia, A. S. Improved lateral resolution and contrast in ultrasound imaging using a sidelobe masking technique. Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 1682-1685 (2014).
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).
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).
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).
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).
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).
NDI Polaris Vicra optical tracking system website. , http://www.ndigital.com/medical/polaris-family (2017).
Markley, F. L., Cheng, Y., Crassidis, J. L., Oshman, Y. Averaging quaternions. J. Guid. Cont. Dyn. 30 (4), 1193-1197 (2007).
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).
Horn, B. K. P. Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions. J. Opt. Soc. Am. A. 4 (4), 629-642 (1987).

Bioengineering

Een experimenteel Protocol voor de beoordeling van de prestaties van de nieuwe Ultrasound sondes gebaseerd op CMUT technologie in toepassing op Brain Imaging

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

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