Un protocolo Experimental para evaluar el desempeño de nuevas sondas de ultrasonido basado en la tecnología CMUT en aplicación a la proyección de imagen de cerebro
Summary
El desarrollo de nuevas sondas de ultrasonido (US) basada en tecnología capacitiva transductor ultrasónico micro (CMUT) requiere una temprana evaluación realista de las capacidades de la proyección de imagen. Se describe un protocolo experimental repetible para la adquisición de la imagen de Estados Unidos y comparación con imágenes de resonancia magnética, utilizando un cerebro bovino ex vivo como un objetivo de proyección de imagen.
Abstract
La posibilidad de realizar una evaluación temprana y repetible de resultados de la proyección de imagen es fundamental en el diseño y proceso de desarrollo de nuevo ultrasonido (US) las puntas de prueba. En particular, un análisis más realista con objetivos de aplicación específica puede ser muy valioso para evaluar el rendimiento esperado de las sondas de Estados Unidos en su campo clínico potencial de aplicación.
El protocolo experimental presentado en este trabajo fue deliberadamente diseñado para proporcionar un procedimiento de evaluación de la aplicación específica para recién desarrollado nos prototipos basados en la tecnología capacitiva transductor ultrasónico micro (CMUT) en relación con la punta de prueba proyección de imagen del cerebro.
El protocolo combina el uso de un cerebro bovino fijado en formol como el imagen objetivo, que asegura el realismo y capacidad de repetición de los procedimientos y de técnicas de Neuronavegación de Neurocirugía. La sonda de los Estados Unidos de hecho está conectada a un sistema que adquiere datos de posición y permite la superposición de imágenes de Estados Unidos para hacer referencia a imágenes de resonancia magnética (de Sr.) del cerebro de seguimiento del movimiento. Esto proporciona un medio para los expertos humanos para llevar a cabo una evaluación cualitativa visual de la sonda de los Estados Unidos de rendimiento y comparar adquisiciones realizadas con diversas puntas de prueba. Por otra parte, el protocolo basa en el uso de un sistema completo y abierto de investigación y desarrollo para la adquisición de imágenes de Estados Unidos, es decir, el escáner de ultrasonido avanzado abrir plataforma (ULA-OP).
El manuscrito describe en detalle los instrumentos y procedimientos involucrados en el protocolo, en particular de la calibración, adquisición de imágenes y registro de imágenes de Estados Unidos y el Señor. Los resultados obtenidos prueban la eficacia del protocolo general presentado, que está totalmente abierto (dentro de los límites de la instrumentación involucrada), repetible y cubre todo el conjunto de las actividades de adquisición y procesamiento de imágenes de Estados Unidos.
Introduction
El creciente mercado de escáneres de ultrasonido pequeño y portátil (Estados Unidos) es líder en el desarrollo de nuevas sondas echographic de en que parte de los acondicionadores de señal y beamforming electrónica está integrada en el mango de la sonda, especialmente para la proyección de imagen 3D/4D 1. tecnologías emergentes es especialmente adecuados para lograr este alto nivel de integración incluyen micro transductores ultrasónicos (MUTs)2, una clase de transductores de sistema Micro de Electro-mecánicos (MEMS) fabricados en silicio. En particular, MUTs capacitiva (CMUTs) finalmente han alcanzado una madurez tecnológica que las hace una alternativa válida para transductores piezoeléctricos para próxima generación ultrasonido proyección de imagen sistemas3. CMUTs son muy atractivos debido a su compatibilidad con las tecnologías de la microelectrónica, ancho de banda – que produce una mayor resolución de imagen – alta eficacia termal y, sobre todo, alta sensibilidad4. En el contexto del JU ENIAC proyecto DeNeCoR (dispositivos de NeuroControl y neurorrehabilitación)5, CMUT sondas están siendo desarrollados6 para Estados Unidos una imagen cerebral aplicaciones (por ejemplo, Neurocirugía), donde la alta calidad imágenes 2D/3D/4D y representación exacta de las estructuras cerebrales son necesarios.
En el proceso de desarrollo de nuevas sondas de Estados Unidos, la posibilidad de realizar las primeras evaluaciones de desempeño de imagen es fundamental. Técnicas de evaluación típicos implican medir parámetros específicos como la resolución y contraste, basado en imágenes de fantasmas imitando tejido con objetivos integrados de geometría conocida y ecogenicidad. Análisis más realista, con objetivos de proyección de imagen específica de la aplicación puede ser muy valioso para una evaluación temprana del rendimiento esperado de las sondas de Estados Unidos en su posible aplicación a un campo clínico específico. Por otro lado, la repetición completa de adquisiciones es fundamental para las pruebas comparativas de diferentes configuraciones con el tiempo, y este requisito descarta experimentos en vivo en conjunto.
Varios trabajos en la literatura sobre las técnicas de imagen diagnóstico propusieron el uso de ex vivo de animales7, cadáver cerebros8o tejido imitando fantasmas9 para diversos propósitos10, que incluyen la prueba de métodos de proyección de imagen, algoritmos de registro, secuencias de resonancia magnética (de Sr.) o el patrón de la viga de los Estados Unidos y dando por resultado una calidad de imagen. Por ejemplo, en el contexto de la proyección de imagen de cerebro, Lazebnik et al. 7 utiliza un cerebro de oveja formalina-fijos para evaluar un método de registro 3D nuevo Señor; del mismo modo, Choe et al. 11 había investigado un procedimiento para la inscripción de Señor y de imágenes de microscopía óptica de un cerebro de mono buho fijo. Un cerebro de alcohol polivinílico (PVA) fantasma fue desarrollado en9 y utiliza para realizar adquisiciones de imagen multimodal (es decir, Señor, Estados Unidos y la tomografía computada) para generar una imagen compartida dataset12 para la prueba de registro y algoritmos de proyección de imagen.
En general, estos estudios confirman que el uso de un objetivo realista para la adquisición de la imagen es un paso esencial en el desarrollo de una nueva técnica de imagen. Esto representa un escenario aún más crítico en el diseño de un nuevo dispositivo de proyección de imagen, como la sonda CMUT nos presentada en este documento, que está todavía en fase de prototipos y las necesidades de prueba extensa y reproducible en el tiempo, para una sintonización exacta de todo el diseño parámetros antes de su realización definitiva y posible validación en aplicaciones en vivo (como en13,14,15).
El protocolo experimental descrito en este trabajo ha sido diseñado así para prever un procedimiento de evaluación por imágenes sólidas y específicas de la aplicación de sondas de Estados Unidos recientemente desarrollado basadas en la tecnología CMUT. Para asegurar el realismo y capacidad de repetición, bovina cerebros (obtenidos a través de la cadena comercial de suministro de alimentos estándar) fijados en formalina fueron elegidos como objetivos de la proyección de imagen. El procedimiento de fijación garantiza la conservación a largo plazo de las características del tejido conservando satisfactorias cualidades morfológicas y las propiedades de visibilidad en Estados Unidos y de Sr. proyección de imagen de16,17.
El protocolo para la evaluación de la calidad de la imagen de Estados Unidos aquí descrito también implementa una característica tomada de técnicas de Neuronavegación de Neurocirugía15. En estos enfoques, las sondas estadounidenses están conectadas a un sistema que proporciona la posición espacial y datos de orientación en tiempo real de seguimiento de movimiento. De esta manera, imágenes de Estados Unidos adquiridas durante las actividades quirúrgicas pueden ser automáticamente registrados y visualizados, de orientación, superposición de imágenes de RM preoperatoria del cerebro del paciente. Para los efectos del protocolo presentado, la superposición con imágenes (que se consideran como el estándar de oro en la proyección de imagen de cerebro) es de gran valor, ya que permite que expertos humanos evaluar visualmente que morfológicas y características del tejido son reconocibles en las imágenes de los Estados Unidos y, vice versa, para reconocer la presencia de artefactos de imagen.
La posibilidad de comparar imágenes adquiridas con diferentes sondas de Estados Unidos resulta aún más interesante. El protocolo experimental que se presenta incluye la posibilidad de definir un sistema de referencia espacial plantea para la adquisición de los Estados Unidos, centrado en las regiones de volumen más rico en funcionalidades identificadas en una inspección visual preliminar de Sr. imágenes. Una herramienta visual integrada, desarrollada para el Paraview código abierto software sistema18, proporciona una guía a los operadores para emparejar esas poses predefinidas durante las fases de adquisición de imagen de Estados Unidos. Para los procedimientos de calibración requeridos por el protocolo, es fundamental dotar a todas las muestras blanco – biológicas o sintético – con señales de posición predefinidos que proporcionan claras referencias espaciales. Estos hitos deben ser visible en Estados Unidos y Sr. imágenes y físicamente accesible a las mediciones realizadas con el sistema de seguimiento del movimiento. Los elementos de referencia elegido para el experimento son pequeñas esferas de cristal de pedernal, cuya visibilidad en Estados Unidos y Sr. imágenes fue demostrado en la literatura19 y confirmado por exploraciones preliminares de Estados Unidos y el Sr. realizadas antes de los experimentos presentados.
El protocolo presentado basa en el ultrasonido avanzado abrir plataforma (ULA-OP)20, un abierto y completada sistema de investigación y desarrollo para nosotros la adquisición de imágenes, que posibilidades mucho más experimental que comercialmente disponibles escáneres y sirve como una base común para la evaluación de diversas puntas de prueba de los Estados Unidos.
En primer lugar, se describen los instrumentos utilizados en este trabajo, con especial referencia a la nueva sonda CMUT. El protocolo experimental es intropresenta en detalle, con una descripción exhaustiva de todos los procedimientos involucrados, desde el diseño inicial a la calibración del sistema, para posterior procesamiento y adquisición de la imagen. Finalmente, se presentan las imágenes obtenidas y los resultados se discuten, junto con sugerencias para futuros desarrollos de este trabajo.
Instrumentación
Prototipo de sonda CMUT
Los experimentos se llevaron a cabo utilizando un nuevo 256-elemento CMUT arsenal linear prototipo, diseñado, fabricado y envasado en el laboratorio de Acoustoelectronics (ACULAB) de la Universidad de Roma Tre (Roma, Italia), utilizando el (CMUT revertir proceso de fabricación RFP)4. RFP es una microfabricación y embalaje la tecnología, específicamente concebida para la realización de transductores MEMS para nosotros imágenes de aplicaciones, por el que se fabrica la microestructura CMUT siguiente de silicio un “revés” enfoque21. En comparación con otras tecnologías de fabricación CMUT, RFP produce mejor rendimiento imagen debido a la alta uniformidad de la geometría de las células CMUT sobre la matriz completa y el uso de materiales acústicamente diseñados en el paquete principal de la sonda. Una característica importante del RFP es que las teclas interconexión eléctricas están ubicadas en la parte posterior de la terraja CMUT, que facilita la integración de 3D de matrices 2D y electrónica multicanal front-end.
La matriz de 256 elementos CMUT fue diseñada para operar en una banda de frecuencias centrada en 7,5 MHz. Un campo de elemento de 200 μm fue elegido para la matriz resultante en un ancho campo de visión máximo de 51,2 mm. La altura de los elementos de matriz CMUT solo fue definida para lograr el rendimiento adecuado en términos de resolución lateral y capacidad de penetración. Una altura de elemento de matriz de 5 mm fue elegida con el fin de obtener un ancho de haz de-3dB de 0,1 mm y una profundidad de-3 dB de 1,8 mm a 7,5 MHz, al fijar el foco de la elevación a una profundidad de 18 mm por medio de una lente acústica. 195 todo el μm elementos fueron obtenidos por organizar y conectar eléctricamente en paralelo 344 circular CMUT las células, siguiendo un diseño hexagonal. En consecuencia, el 5 μm elemento a elemento distancia resultante, es decir, el corte coincide con la separación de membrana a membrana. Una representación esquemática de la estructura de una matriz CMUT se divulga en la figura 1.
Figura 1: estructura de matriz CMUT. Representación esquemática de la estructura de una matriz CMUT: array de elementos compuestos de varias células conectadas en paralelo (a), diseño del CMUT microestructura (b); sección transversal de una célula CMUT (c). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los CMUT microfabricación parámetros, es decir, la lateral y vertical dimensiones de la placa y los electrodos, se definieron mediante simulaciones de modelado de elementos finitos (FEM) con el objetivo de lograr una operación de inmersión de banda ancha, caracterizada por una respuesta de frecuencia centrada en 7,5 MHz y una 100%-6 dB bidireccional banda fraccional. La altura de la cavidad, es decir, la brecha fue definida para lograr una tensión de hundimiento de 260 V para maximizar la sensibilidad de dos vías, por desviación del CMUT al 70% de la caída tensión4, considerando un voltaje de señal de excitación máxima V 80. La tabla 1 resume los principales parámetros geométricos de la recientemente CMUT.
| Parámetros de diseño de matriz CMUT | |
| Parámetro | Valor |
| Arreglo de discos | |
| Número de elementos | 256 |
| Campo de elemento | 200 μm |
| Longitud del elemento (elevación) | 5 mm |
| Enfoque de elevación fijo | 15 mm |
| Microestructura CMUT | |
| Diámetro de la célula | 50 μm |
| Diámetro del electrodo | 34 μm |
| Distancia lateral de célula a célula | 7.5 μm |
| Espesor de la chapa | 2.5 μm |
| Altura del entrehierro | 0.25 μm |
Tabla 1. Parámetros de sonda CMUT. Parámetros geométricos de la sonda del arsenal linear de CMUT y CMUT celular microestructura.
El proceso de envasado utilizado para integrar la matriz CMUT en una cabeza de sonda se describe en la referencia4. La lente acústica fue fabricada con un caucho de silicón de temperatura vulcanizado (RTV) dopado con óxido metálico nanopolvos para emparejar de la impedancia acústica del agua y evitar falsos reflejos en el interfaz22. El compuesto resultante fue caracterizado por una densidad de 1280 kg/m3 y una velocidad del sonido de 1100 m/s. Fue elegido un radio de curvatura de 7 mm para la lente cilíndrica, conduce a un enfoque geométrico de 18 mm y un espesor máximo de aproximadamente 0,5 mm por encima de la superficie del transductor. Una imagen de la cabeza de sonda CMUT se muestra en la figura 2(a).
Figura 2: sonda CMUT. Cabeza de la sonda CMUT desarrollada, incluyendo la matriz lineal de transductores y de lente acústica (a) y la sonda CMUT completa con conector (b). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La cabeza de sonda CMUT fue acoplada al mango de la sonda que contiene electrónica front-end analógico recepción multicanal y un cable multipolar para la conexión con el explorador de Estados Unidos. El circuito electrónico de canal único es un alta impedancia de entrada 9 dB-gain voltaje amplificador que proporciona la electricidad necesaria para conducir la impedancia del cable. La electrónica multicanal, descrita en la referencia 4, está basada en una topología de circuito incluyendo un receptor de bajo ruido ultra-bajo-energía y un interruptor integrado para la transmisión/recepción señal impresión a doble cara. La fuente de alimentación electrónica front-end y el voltaje de bias CMUT están generados por una fuente de alimentación personalizado y a la sonda a través del cable multipolar. La sonda completa se muestra en la figura 2(b).
Piezoeléctrico las sondas de los Estados Unidos
Para la comparación cualitativa de las imágenes obtenidas con la sonda CMUTarriba, dos sondas de Estados Unidos piezoeléctricos comercialmente disponibles se incluyeron en los experimentos. La primera es una punta de prueba linear array con 192 transducing elementos, un campo de 245 μm y un ancho fraccional de 110% banda centrado en 8 MHz. Esta sonda se utilizó para adquirir imágenes de modo B 2D. La segunda sonda es una sonda para la proyección de imagen 3D con un arsenal linear barrido mecánico de 180 transducing elementos, con un campo de 245 μm y una banda fraccional 100% centrado en 8,5 MHz. Un motor paso a paso colocada dentro de la sonda permite barrer el arsenal linear para adquirir varios planos, que se pueden utilizar para reconstruir una imagen en 3D de la escaneada volumen23de la vivienda.
Sistema ULA-OP
La adquisición de imágenes de Estados Unidos se llevó a cabo mediante el empleo de sistema de ULA-OP20, que es un sistema completo y abierto Estados Unidos investigación y desarrollo, diseñado y realizado en el laboratorio de diseño de sistemas de Microelectrónica de la Universidad de Florencia, Italia. Puede controlar el sistema de ULA-OP, tanto en transmisión (TX) y recepción (RX), hasta 64 canales independientes conectados a través de una matriz de interruptor a una sonda de los Estados Unidos con hasta 192 piezoeléctrico o CMUT transductores. Los arquitectura características dos proceso principal tableros de sistema, un tablero analógico (AB) y un tablero Digital (DB), ambas contenidas en un bastidor, que se completan con un tablero de fuente de alimentación y un tablero de respaldo plano que contiene el conector de la sonda y todo el enrutamiento interno componentes. El AB contiene el front-end para los transductores de la sonda, en particular los componentes electrónicos de acondicionamiento analógico de los 64 canales y la matriz de interruptor programable que se asigna dinámicamente los canales de TX-RX a los transductores. La base de datos está a cargo de beamforming en tiempo real, síntesis de las señales de TX y el RX de procesamiento se hace eco para producir la salida deseada (por ejemplo imágenes de modo B o ecografías Doppler). Cabe destacar que el sistema de ULA-OP es totalmente configurable, por lo tanto, la señal en TX puede ser cualquier forma de onda arbitraria dentro del banda del sistema (e.g. impulsos de tres niveles, seno-explosiones, chirridos, códigos de Huffman, etc.) con un máximo amplitud de 180 Vpp; Además, la estrategia de beamforming puede programarse según el más reciente enfoque patrones (e.g. centrado onda, multi-línea de transmisión, onda de plano, divergentes de las olas, haces de difracción limitada, etc.)24,25 . A nivel de hardware, estas tareas son compartidas entre cinco campo programable Gate Arrays (FPGAs) y un procesador de señal Digital (DSP). Con barrido mecánico 3D imaging sondas, como el descrito anteriormente, el sistema de ULA-OP también controla el motor paso a paso dentro de la sonda, para la adquisición sincronizada de fotogramas 2D individuales en cada posición del array transductor.
El sistema ULA-OP puede ser reconfigurado en tiempo de ejecución y adaptado a diversas puntas de prueba de los Estados Unidos. Se comunica a través de un canal de USB 2.0 con un ordenador equipado con una herramienta de software específica. Este último tiene una interfaz gráfica configurable que proporciona la visualización en tiempo real de imágenes de Estados Unidos, en varios modos; con sondas volumétricas, por ejemplo, pueden visualizarse dos imágenes de modo B de planos perpendiculares en el volumen Escaneado en tiempo real.
La principal ventaja del sistema ULA-OP para los fines del protocolo descrito es que permite un fácil ajuste de los parámetros de TX-RX y ofrece acceso completo a los datos de la señal a cada paso en el procesamiento de cadena26, posibilitando también para probar nuevas modalidades de imagen y beamforming técnicas27,28,29,30,31,32,33.
Sistema de seguimiento de movimiento
A registro de los Estados Unidos sonda de posición durante la adquisición de la imagen, un movimiento óptico sistema de seguimiento cuenta propia34. El sistema se basa en una unidad de sensor que emite luz infrarroja a través de dos iluminadores (diodos electroluminosos (LED)) y dos receptores (es decir, una lente y un dispositivo de carga acoplada (CCD)) utiliza para detectar la luz reflejada por varios pasivo de propósito específico marcadores dispuestos en formas rígidas predefinidas. Información sobre la luz reflejada es procesada por un CPU a bordo para calcular los datos de posición y orientación, que pueden ser transferidos a un ordenador conectado vía USB 2.0. El mismo enlace puede utilizarse para controlar la configuración del sensor.
Naves de la unidad del sensor junto con un conjunto de herramientas, cada uno dotado con cuatro marcadores reflectantes dispuestos en una configuración geométrica rígida. El sistema de seguimiento del movimiento puede seguir hasta seis distintas herramientas rígidos al mismo tiempo, en una frecuencia de trabajo de aproximadamente 20 Hz. Dos tales herramientas fueron utilizadas para estos experimentos: una herramienta de puntero, que permite adquirir la posición 3D tocados por su punta, y una herramienta equipada de abrazadera, que puede estar conectada a la sonda de los Estados Unidos bajo prueba (ver figura 14).
En el lado del software, el rastreador de movimiento cuenta con una interfaz de programación de bajo nivel aplicación serial (API) para ambas unidad control y adquisición de datos, que se puede acceder a través de USB. Por defecto, posición y orientaciones se devuelven como elementos de entrada múltiples, es decir, una entrada por cada herramienta de seguimiento. Cada entrada contiene una posición 3D (x, y, z) expresado en mm y una orientación (q0, qx, qy, qz) expresado como un cuaternión. El sistema también viene con una caja de herramientas de instrumentos de software de alto nivel, que incluye una herramienta de seguimiento de gráficos para visualizar y medir en tiempo real las posiciones/orientaciones de múltiples herramientas dentro del campo de visión del sensor.
Componentes de software, integración y Resumen del sistema
El diagrama en la figura 3 resume la instrumentación adoptada para el protocolo, que también describe el flujo de datos que fluye a través de los sistemas.
Figura 3: Diagrama de bloques de la integración de sistema y configuración de hardware todo. La sonda estadounidense está conectada al sistema ULA-OP que se comunica a través de USB con el portátil para la adquisición de la imagen de Estados Unidos. Al mismo tiempo, el portátil también está conectado vía USB a la propuesta de sistema de seguimiento, para adquisición de datos de posición y a través de Ethernet a la estación de trabajo, para el procesamiento de datos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Aparte de las sondas de los Estados Unidos, el rastreador de movimiento y el sistema de ULA-OP, que se han descrito anteriormente, el programa de instalación también incluye dos computadoras, es decir, un portátil y una estación de trabajo. El primero es el principal para la instrumentación, recibir y sincronizar las dos secuencias de datos entrantes principales: las imágenes de los Estados Unidos desde el sistema de ULA-OP y 3D datos del rastreador de movimiento de posicionamiento. También proporciona un feedback visual al operador de las imágenes absorbidas. La estación de trabajo tiene capacidad de potencia y almacenamiento computacional substancialmente más alta. Proporciona soporte back-end para el postproceso de la imagen y un repositorio para los conjuntos de datos de imagen combinados. También se utiliza la estación de trabajopara la visualización de Estados Unidos y Sr. imágenes, incluyendo la posibilidad de visualización 3D simultánea de imágenes multimodales registradas.
Un requisito crítico para los experimentos de adquisición de imagen es la sincronización de los dos flujos de datos principales. El seguimiento del movimiento y sistemas de la ULA-OP son instrumentos independientes que aún no admiten una sincronización explícita de las actividades. Debido a esto, información de datos y posición de imagen de Estados Unidos deben combinarse adecuadamente para detectar la posición 3D de la sonda de los Estados Unidos en el momento que cada sector de la imagen fue adquirida. Para ello, una aplicación específica de registro ha sido desarrollada para registro y sellado de tiempo en tiempo real los datos suministrados por el seguimiento sistema, mediante la modificación de un componente de software C++ que se incluye, en este caso, en el rastreador de movimiento sí mismo del movimiento. Por lo general, sistemas de seguimiento de movimiento disponen de una API de bajo nivel que permite la captura de datos en tiempo real y transcripción a un archivo.
El método de sincronización adoptado funciona como sigue. Cada entrada en el archivo producido por la aplicación de registro está aumentada con una marca de hora en el formato “AAAA-MM-ddThh:mm:ss.kkk”, donde: y = año, M = mes, d = días, h = horas, m = minutos, s = segundo, k = milisegundos. El software basado en PC de ULA-OP (lenguajes de programación C++ y MATLAB) calcula el inicio y fin de tiempo de cada secuencia de adquisición de imagen y almacena esta información en cada imagen en formato .vtk. Para proporcionar una referencia temporal común durante los experimentos, tanto el procedimiento anterior de software se ejecuta en el equipo front-end en la figura 3. Marcas producidas de esta manera se utilizan los procedimientos de software postproceso que producen el conjunto de datos final (ver protocolo, sección 8).
Otro componente de software específico fue realizado y ejecuta en la estación de trabajo para proporcionar información en tiempo real al operador, al relacionar la corriente Estados Unidos sonda posición a Sr. imágenes y, en particular, al conjunto de poses predefinidas. Una rutina de software de servidor en Python procesa el archivo de registro de seguimiento de movimiento, se traduce la corriente Estados Unidos sonda de posición en forma geométrica y envía los datos a un servidor de Paraview. Un cliente de Paraview conecta al mismo servidor de Paraview y muestra en tiempo real la posición de la forma geométrica, superpuesta sobre una imagen del Señor y a otras formas geométricas que describen las poses predefinidas. En la figura 17se muestra un ejemplo de la visualización en tiempo real resultante.
Protocol
Representative Results
Discussion
Varios trabajos han sido presentados en la literatura que describe técnicas que son similares o relacionados con el protocolo presentado. Estas técnicas también se basan en el uso de objetivos realistas, incluyendo animal fijo o cerebros de cadáveres, pero se conciben principalmente para la prueba de los métodos de registro digital de varias clases.
El protocolo descrito aquí, sin embargo, tiene el propósito específico de prueba sondas de Estados Unidos en diferentes configuraciones en…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo ha sido parcialmente financiado por los gobiernos nacionales y la Unión Europea a través del proyecto ENIAC JU DeNeCoR bajo la beca número acuerdo 324257. Los autores desean agradecer al Prof. Giovanni Magenes, Prof. Piero Tortoli y Dr. Giosuè Caliano su valioso apoyo, supervisión y perspicaces observaciones que hicieron posible este trabajo. También agradecemos a Prof. Egidio D’Angelo y su grupo (laboratorio de BCC), junto con la Fondazione Istituto Neurologico C. Mondino, para proporcionar el movimiento de seguimiento e instrumentación del Señor y a Giancarlo Germani para adquisiciones de Señor. Por último, nos gustaría agradecer a Dr. Nicoletta Caramia, Dr. Alessandro Dallai y Sra. Barbara Mauti por su valioso apoyo técnico y el Sr. Walter Volpi para proporcionar el cerebro bovino.
Materials
| 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 | 3mm 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 degassed water up to a 15cm 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 |
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. , 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).
- 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).
- 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. , (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).
- 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. , (2007).
- Horn, B. K. P. Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions. J. Opt. Soc. Am. A. 4 (4), 629-642 (1987).
