Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

טיפול נסיוני הערכת הביצועים של הגששים סאונד חדש מבוסס על טכנולוגיית CMUT ביישום כדי הדמיה מוחית

Published: September 24, 2017 doi: 10.3791/55798
Automatic Translation
1, 2, 3, 4, 5, 6, 1
1Department of Electrical, Computer and Biomedical Engineering, University of Pavia, 2Department of Information Engineering, University of Florence, 3Department of Engineering, Roma Tre University, 4FTMTR&D/SPA, STMicroelectronics, 5Brain Connectivity Center, BCC, Istituto Neurologico Nazionale Fondazione C. Mondino I.R.C.C.S., 6Department of Molecular Medicine - Unit of Pathology, University of Pavia, Foundation IRCCS Policlinico San Matteo

Summary

הפיתוח של הגששים אולטרסאונד (לנו) החדש מבוסס על טכנולוגיית קיבולי Micromachined אולטראסוניות מתמר (CMUT) דורש הערכה מציאותית מוקדם של יכולות הדמיה. אנו מתארים עבור ייבוא תמונות ארה ב והשוואה עם תמונות תהודה מגנטית, פרוטוקול נסיוני הדיר משתמש של ex-vivo שור במוח כמו מטרה הדמיה.

Abstract

האפשרות לבצע הערכה מוקדמת, הדיר של הדמיה ביצועים הוא מהותי בעיצוב, רגשים תהליך פיתוח חדש אולטראסאונד (לנו). במיוחד, ניתוח יותר מציאותי עם מטרות דימות ייחודית ליישום יכול להיות בעלת ערך רב מאוד להעריך את הביצועים הצפוי של הגששים בארה בתחום הקליני. פוטנציאלי שלהם, היישום.

פרוטוקול נסיוני הציג בעבודה זו תוכננה בכוונה לספק הליך הערכת ליישום עבור פיתח אותנו לחקור טיפוס מבוסס על טכנולוגיית קיבולי Micromachined אולטראסוניות מתמר (CMUT) ביחס הדמיה מוחית.

הפרוטוקול משלב את השימוש מוח שור קבוע בפורמלין כיעד הדמיה, המבטיח ריאליזם והן הדיר של ההליכים המתוארים ושל טכניקות neuronavigation שהושאל נוירוכירורגיה. החללית ארה ב מחובר למעשה תנועה מעקב המערכת אשר רוכשת את הצב נתונים ומאפשר את הסופרפוזיציה של ארה ב תמונות להפנות תהודה מגנטית (MR) תמונות של המוח. זה מספק אמצעי מומחים אנושי כדי לבצע הערכה איכותני חזותי של המכשיר בארה ב הדמיה ביצועים וכדי להשוות רכישות שנעשו עם הגששים שונים. יתר על כן, הפרוטוקול מסתמך על השימוש של מלא ופתוח למחקר ופיתוח מערכת עבור ארה ב ייבוא תמונות, קרי הסורק אולטרסאונד מתקדם לפתוח פלטפורמה (אולה-OP).

כתב היד מתאר בפירוט את המכשירים ואת הנהלים מעורב הפרוטוקול, בפרט כיול, ייבוא תמונות והרשמה של ארה ב ושל מר תמונות. התוצאות שהושג להוכיח את היעילות של פרוטוקול הכולל שהוצגו, אשר פתוחה לחלוטין (בגבולות מכשור מעורב), הדיר, והוא מכסה את כל סידרת פעילויות עיבוד של רכישת לתמונות בארה ב.

Introduction

השוק גדל והולך של סורקי אולטראסאונד קטן ונייד (ארה ב) מובילה להתפתחות של הגששים echographic חדש באיזה איזור של האות-מיזוג ו- beamforming אלקטרוניקה משולב בידית המכשיר, במיוחד עבור הדמיה תלת-ממד/4 יח 1. מתאים במיוחד כדי להשיג רמה גבוהה זו של שילוב טכנולוגיות Emerging כוללים Micromachined אולטראסוניות מתמרים (MUTs)2, מחלקה של מערכת אלקטרו-מכני מיקרו (MEMS) מתמרים מפוברק על הסיליקון. בפרט, MUTs קיבולי (CMUTs) סוף סוף הגיעו בשלות טכנולוגית שגורם להם אלטרנטיבה חוקית מתמרים פיזואלקטריים הבא הדור אולטראסאונד הדמיה מערכות3. CMUTs פונים מאוד עקב שלהם תאימות עם טכנולוגיות מיקרואלקטרוניקה, רוחב פס רחב - אשר מניב ברזולוציה גבוהה יותר - יעילות תרמית גבוהה ומעל הכל, רגישות גבוהה4. בהקשר של הפרויקט אניאק JU DeNeCoR (התקנים עבור NeuroControl ו- NeuroRehabilitation)5, CMUT הגששים מתבצעת מפותחת6 עבור ארה ב המוח הדמיה יישומים (לדוגמה: נוירוכירורגיה), שבו באיכות גבוהה תמונות דו-ממדי/תלת-ממד/4 D ו ייצוג מדויק של מבנה המוח נדרשים.

תהליך הפיתוח של הגששים ארה ב החדש, האפשרות של ביצוע הערכות מוקדמת של הדמיה ביצועים הוא מהותי. טכניקות הערכה טיפוסי לערב מדידת פרמטרים ספציפיים כגון רזולוציה וניגודיות, המבוסס על תמונות של מטוסי פאנטום מחקה רקמות עם מטרות מוטבע של הגיאומטריה הידוע, echogenicity. ניתוח יותר מציאותי עם מטרות דימות ייחודית ליישום יכול להיות יקר מאוד עבור הערכה מוקדמת של הביצועים הצפוי של ארה ב הגששים ביישום הפוטנציאליים שלהם לשדה הקליני ספציפי. מצד שני, הדיר מלאה של רכישות הוא יסוד בדיקה השוואתית של תצורות שונות לאורך זמן, דרישה זו ששולל ניסויים ויוו לגמרי.

מספר יצירות הספרות על טכניקות הדמיה אבחון הציע את השימוש שמחוץ דגימות בעלי חיים7, נגועה בסרטן המוח8או רקמות מחקה פאנטום9 עבור מטרות שונות10, אשר כוללים בדיקה של שיטות הדמיה, רישום אלגוריתמים, רצפים תהודה מגנטית (MR) או את ארה ב הקרן-הדפוס, וכתוצאה מכך איכות התמונה. כך למשל, בהקשר של הדמיה מוחית, לזבניק. et al. 7 להשתמש מוח כבשים פורמלין-קבוע כדי להעריך 3D מר רישום שיטה חדשה; באופן דומה, והילדים. et al. 11 חקר הליך הרישום של מר, מיקרוסקופ אור תמונות של מוח הקוף ינשוף קבוע. מוח אלכוהול (PVA) פנטום היה פותח ב9 , המשמש לביצוע רכישות תמונה עם מודאלים מרובים (כלומר מר, ארה ב, ו טומוגרפיה שחושב) כדי ליצור את הנתונים (dataset) תמונה משותפת12 לבדיקה של רישום, הדמיה אלגוריתמים.

באופן כללי, מחקרים אלה לאשר כי השימוש של יעד מציאותי עבור רכישות התמונה הוא אכן צעד חיוני במהלך פיתוח טכניקה הדמיה חדשה. זה מייצג שלב קריטי עוד יותר בעת עיצוב התקן הדמיה חדש, כמו CMUT אותנו המכשיר הציג במאמר זה, אשר עדיין בשלב שטנץ, זקוק לשחזור וחובק בדיקות לאורך זמן, עבור כוונון מדויק של כל עיצוב פרמטרים לפני מימוש הסופי שלה ובדיקת אפשרי ויוו יישומים (כמו13,14,15).

פרוטוקול הניסוי המתואר בעבודה זו תוכנן ובכך לספק חזקות, ליישום הדמיה הערכת הליך עבור ארה ב פיתח הגששים מבוסס על טכנולוגיית CMUT. כדי להבטיח ריאליזם והן הדיר, שור המוח (להשיג דרך שרשרת אספקת מזון מסחרי רגיל) קבוע בפורמלין נבחרו כמו הדמיה מטרות. ההליך קיבוע ערבויות שימור לטווח ארוך של מאפייני הרקמה תוך שמירה משביע רצון מורפולוגי וסגולותיהם ניראות, הן בארה ב והן מר הדמיה16,17.

הפרוטוקול עבור הערכת איכות התמונה ארה ב המתוארים כאן גם מיישמת תכונה שהושאל neuronavigation טכניקות המשמשות עבור נוירוכירורגיה15. בגישות כאלה, ארה ב הגששים מחוברים על ההצעה מעקב מערכת המספקת המיקום המרחבי ואת הכיוון נתונים בזמן אמת. בדרך זו, תמונות ארה ב רכשה במהלך פעילות כירורגית יכול להיות באופן אוטומטי רשום, דמיינו, להדרכה, סופרפוזיציה לתמונות מר pre-operatory של המוח של המטופל. לצורך הפרוטוקול שהוצגו, הסופרפוזיציה עם תמונות מר (אשר נחשבים תקן הזהב של הדמיה מוחית) הוא בעל ערך רב, היות זה מאפשר מומחים האדם להעריך באופן חזותי אשר מורפולוגי רקמות תכונות מוכר ארה ב ותמונות, סגן להיפך, כדי לזהות הנוכחות של הדמיה חפצים.

אפשרות להשוות תמונות רכשה עם הגששים בארה ב שונה הופך להיות מעניין יותר. פרוטוקול ניסיוני המוצג כולל את האפשרות להגדיר קבוצת התייחסות המרחבי מהווה עבור רכישות בארה ב, התמקדו האזורים נפח הכי עשיר בתכונות שזוהתה בדיקה חזותית ראשוני של מר תמונות. כלי חזותי משולב, שפותחה עבור Paraview קוד פתוח תוכנה מערכת18, מספק הדרכה למפעילי עבור התאמה כזו מהווה מראש במהלך שלבי רכישת התמונה בארה ב. ההליכים כיול הנדרש על-ידי הפרוטוקול, זה היסוד, כדי לצייד את כל דגימות היעד - ביולוגי או סינתטי - עם ציוני דרך מיקום מוגדר מראש מספקות הפניות מרחבית ברורה וחד משמעית. ציוני דרך כזה חייב להיות גלוי בתמונות הן בארה ב והן מר ונגיש פיזית למדידות שנעשו עם ההצעה מעקב המערכת. הרכיבים ציון שבחרת עבור הניסוי הם כדורים קטנים מזכוכית חלמיש, אשר נראות בתמונות הן בארה ב והן מר הפגינו את הספרות19 ומאושר על-ידי ראשוני סריקות US ו מר מתבצעות לפני הניסויים שהוצגו.

פרוטוקול שהוצג מסתמך על סאונד מתקדמות לפתוח פלטפורמה (אולה-OP)20, מלא ופתוח למחקר, פיתוח מערכת עבורנו ייבוא תמונות, אשר מציע הרבה ניסיוני רחב יותר אפשרויות מאשר מסחרית זמינים סורקים, משמשת בסיס על ההערכה של הגששים בארה ב שונה.

ראשית, כלי הנגינה המשמשים עבודה זו מתוארים, עם התייחסות מיוחדת החללית CMUT שעוצבו לאחרונה. פרוטוקול נסיוני הוא הקדמהduced בפירוט, עם תיאור מעמיק של כל ההליכים מעורב, משלב התכנון הראשוני כיול המערכת, כדי שלאחר עיבוד של התמונה רכישת. לבסוף שהושג התמונות מוצגות, התוצאות הנזכרים, יחד עם רמזים להתפתחויות עתידיות של עבודה זו.

מכשור

CMUT בדיקה אב טיפוס

הניסויים בוצעו באמצעות פיתח 256-אלמנט CMUT מערך ליניארי אבטיפוס, תוכנן מפוברק, ארוז ב Acoustoelectronics מעבדה (ACULAB) של אוניברסיטת רומא טרה (רומא, איטליה), שימוש (תהליך ייצור הפוך CMUT RFP)4. RFP מיקרו-מלאכותית, אריזת טכנולוגיה, במיוחד הגה למימוש MEMS מתמרים עבורנו הדמיה יישומים, לפיה מיקרו CMUT מפוברק על הסיליקון הבא "הפוך" הגישה21. לעומת טכנולוגיות ייצור אחרות CMUT, RFP מניב ביצועים משופרים הדמיה בשל אחידות גבוהה של הגיאומטריה התאים CMUT מעל המערך כולו, והשימוש בחומרים המתקפלות מהונדסים בחבילה בראש המכשיר. תכונה חשובה של RFP היא כי הידיות interconnection חשמל ממוקמים על החלק האחורי של ה מת CMUT, אשר מקלה על 3D-השילוב של מערכים דו-מימדית ואלקטרוניקה רב ערוצית החזיתי.

המערך CMUT 256-אלמנט תוכנן לפעול בלהקה בתדירות ממורכז בתדר 7.5 מגה-הרץ. גובה הצליל אלמנט של מיקרומטר 200 נבחרה עבור המערך וכתוצאה מכך רוחב שדה-of-view המרבי של 51.2 מ מ. הגובה של רכיבי המערך CMUT יחיד הוגדרה כדי להשיג ביצועים מתאימים מבחינת רזולוציה לרוחב ויכולת החדירה. גובה אלמנט מערך של 5 מ מ נבחר על מנת לקבל רוחב קרן-3 dB של 0.1 מ מ ועומק-3 dB של המוקד של 1.8 מ- 7.5 מגה-הרץ, כאשר תיקון המוקד העלאת בעומק של 18 מ מ בעזרת עדשת אקוסטית. לרכיבי המערך מיקרומטר ברוחב 195 התקבלו על-ידי סידור וחיבור חשמלית בתאים מקבילים 344 מעגלית CMUT, בעקבות פריסת משושה. כתוצאה מכך, וכתוצאה מכך 5 מיקרומטר רכיב אל-רכיב המרחק, כלומר kerf, תואם את הפרדת ממברנה-כדי-הממברנה. ייצוג סכמטי של המבנה של מערך CMUT הוא דיווח באיור1.

Figure 1
איור 1: מבנה מערך CMUT. ייצוג סכמטי של המבנה של מערך CMUT: מערך אלמנטים מורכב של תאים אחדים קשורים מקבילים (א), הפריסה של CMUT מיקרו (ב); חתך רוחב של תא CMUT (ג). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

CMUT מיקרו-מלאכותית פרמטרים, כלומר לרוחב וממדים אנכי של צלחת, אלקטרודות, הוגדרו באמצעות סימולציות מידול אלמנט סופי (FEM) עם המטרה של השגת מבצע טבילה בפס רחב, המאופיינת על ידי תגובת תדר ממורכז 7.5 מגה-הרץ, עם 100%-6 dB דו-כיווני החלקי רוחב פס. הגובה של החלל, כלומר הפער, הוגדרה להשגת מתח התמוטטות של 260 V כדי למקסם את הרגישות דו-כיווני, מאת ממתח CMUT ב-70% של מתח ' קריסת '4, בהתחשב מתח האות עירור המרבי 80 של V. טבלה 1 מסכמת את הפרמטרים גיאומטרי הראשי של microfabricated CMUT.

פרמטרי תכנון מערך CMUT
פרמטר ערך
מערך
מספר אלמנטים 256
רכיב המגרש מיקרומטר 200
אלמנט האורך (גובה) 5 מ מ
המיקוד קבועה 15 מ מ
מיקרו CMUT
קוטר תא 50 מיקרומטר
קוטר אלקטרודה מיקרומטר 34
מרחק לרוחב-לתא 7.5 מיקרומטר
צלחת עובי 2.5 מיקרומטר
גובה הפער 0.25 מיקרומטר

טבלה 1. פרמטרים בדיקה CMUT. פרמטרים גיאומטריים של בדיקה לינארית-מערך CMUT, CMUT תא מיקרו.

בתהליך האריזה בשימוש להשתלב במערך CMUT בראש המכשיר מתואר הפניה4. העדשה אקוסטית היה מפוברק באמצעות גומי סיליקון טמפרטורת החדר גופרית (RTV) מסטול עם ננו אבקות מתכת-תחמוצת כדי להתאים את עכבה אקוסטית של מים ולהימנע השתקפויות כדין ממשק22. המתחם שנוצר התאפיינה צפיפות של 1280 ק ג/מ'3 ומהירות של הצליל של 1100 מטר לשנייה. רדיוס עקמומיות של 7 מ מ נבחרה עבור העדשה גלילי, המוביל אל מוקד גיאומטרי של 18 מ מ, עובי מרבי של-0.5 מ מ מעל פני השטח מתמר. תמונה של הראש בדיקה CMUT מוצג איור 2(א).

Figure 2
איור 2: בדיקה CMUT. ראש המכשיר CMUT מפותחת, כולל המערך ליניארי של מתמרים, עדשה אקוסטית (א), והבדיקה CMUT מלא עם מחבר (b). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

בראש המכשיר CMUT היה בשילוב של הידית בדיקה המכילות אלקטרוניקה החזיתי אנלוגי רב-ערוצי הקבלה ואת כבל multipolar בקשר עם הסורק בארה ב. המעגל אלקטרונית ערוץ אחד הוא גבוה קלט-עכבה dB 9-רווח מתח מגבר המספק חשמל הנוכחי הצורך לנהוג על עכבה כבל. האלקטרוניקה רב-ערוצי, תיאר הפניה 4, מבוסס על טופולוגיה מעגל של מקלט רעש נמוכה במיוחד-נמוך-כוח כולל מתג משולב עבור בהכפלה אות שידור/קליטה. אלקטרוניקה החזיתי הזרם והמתח הסטייה את CMUT שנוצר על ידי יחידת אספקת כוח מותאם אישית, להאכיל את המכשיר דרך הכבל multipolar. החללית מלאה מוצג איור 2(b).

פיזואלקטריים הגששים בארה ב

לשם השוואה איכותית של התמונות שהושג עם החללית CMUTלעיל, נכללו שני רגשים ארה ב זמין מסחרית פיזואלקטריים בניסויים. הראשון הוא בדיקה לינארית-array עם 192 transducing אלמנטים, זריקה מיקרומטר 245, ורוחב פס החלקי של 110% מרוכזת בשעה 8 מגה-הרץ. המכשיר הזה שימש כדי לרכוש תמונות B-מצב 2D. המכשיר השני הוא בדיקה עבור הדמיה תלת-ממדית עם מערך ליניארי swept מכנית של 180 transducing רכיבים, עם זריקה מיקרומטר 245 ורוחב פס החלקי של 100% ממורכז בתדר 8.5 מגה-הרץ. מנוע stepper ממוקמים בתוך החללית הדיור מאפשר גורף את המערך ליניארי לרכוש מספר מישורים, אשר יכול לשמש כדי לשחזר תמונה תלת-ממדית של אמצעי האחסון שנסרק23.

אולה-OP מערכת

רכישת תמונות ארה ב בוצע על ידי העסקת את אולה-OP מערכת20, אשר היא מלאה ופתוח בארה ב מחקר ופיתוח מערכת, תוכנן והבנתי במעבדה מיקרואלקטרוניקה מערכות עיצוב של מאוניברסיטת פירנצה, איטליה. אולה-OP המערכת שולטת, שניהם שידור (טי אקס) ומחובר הקבלה (RX), עד 64 ערוצים עצמאיים באמצעות מתג מטריצה בדיקה בארה ב עד 192 פיזואלקטריים או CMUT מתמרים. מערכת ארכיטקטורה תכונות שני עיבוד ראשי הלוחות, של לוח אנלוגי (אלב) ושניהם דיגיטלי לוח (DB), הכיל בארון תקשורת, אשר הושלם על ידי לוח החשמל לוח גב-המטוס המכיל המחבר את המכשיר ואת כל פנימי ניתוב רכיבים. AB מכיל חזיתי החללית מתמרים, בפרט של רכיבים אלקטרוניים עבור מיזוג אנלוגי הערוצים 64 ואת המטריצה מתג לתכנות הממפה באופן דינמי את הערוצים TX-RX אל מתמרים. DB אחראי על beamforming בזמן אמת, סינתזה של אותות שידור ועיבוד של RX מהדהד להפקת הפלט הרצוי (למשל תמונות B-מצב או הבדיקות דופלר). ראוי להדגיש כי מערכת אולה-OP להגדרה במלואה, ומכאן ניתן האות ב- TX waveform שרירותי כלשהו בתוך הפס המערכת (למשל שלוש רמות פולסים, סינוס-התפרצויות, ציוץ ציפורים, קודי האפמן, וכו ') עם מקסימום משרעת של 180 Vpp; בנוסף, ניתן לתכנת את האסטרטגיה beamforming על פי הדפוסים התמקדות האחרון (למשל ממוקד גל, מולטי-שורת-שידור, גל מישורי, מתפצל גלים, קורות עקיפה מוגבל, וכו ')24,25 . ברמת החומרה, משימות אלה משותפים בין חמש שדה לתכנות שער מערכים (FPGAs), מעבד אותות דיגיטלי (DSP) אחד. עם נסחף מכנית 3D הדמיה הגששים, כגון זה המתואר לעיל, מערכת אולה-OP שולט גם המנוע stepper שבתוך המכשיר, לצורך רכישת מסגרות 2D בודדות במיקום כל המערך מתמר מסונכרן.

אולה-OP המערכת יכול להיות מוגדר מחדש בזמן ריצה ומותאמים הגששים בארה ב שונה. זה מתקשר דרך ערוץ USB 2.0 עם מחשב מארח, מאובזר עם כלי תוכנה ספציפית. האחרון יש ממשק גרפי להגדרה מספק בזמן אמת להדמיה של ארה ב תמונות, שיחזר מצבים שונים; עם נפחי הגששים, למשל, שתי תמונות B-מצב של מטוסים בניצב באמצעי האחסון שנסרק ניתן להציג בזמן אמת.

היתרון העיקרי של מערכת אולה-OP למטרות של הפרוטוקול המתואר הוא כי היא מאפשרת כוונון קל של הפרמטרים TX-RX והוא מציע גישה מלאה אות הנתונים שנאספו בכל שלב עיבוד שרשרת26, גם עושה את זה אפשרי כדי לבדוק שיטות הדמיה חדשה ואת beamforming טכניקות27,28,29,30,31,32,33.

מערכת מעקב תנועה

רשומה בארה ב בדיקה עמדה במהלך ייבוא תמונות, תנועה אופטי מערכת מעקב מועסקים34. המערכת מבוססת על יחידת חיישן הפולטת אור אינפרא אדום באמצעות שני illuminators (אור (נוריות) דיודות פולטות) ומשתמש שני מקלטי (קרי עדשה, עם תשלום מצמידים מכשיר (CCD)) כדי לזהות את האור בא לידי ביטוי מספר פסיבי מטרה ספציפית סמנים מסודרים בצורות נוקשה מוגדרים מראש. מידע על אור המשתקף ואז יעובד על-ידי ה-CPU ב- board כדי לחשב נתונים מיקום וכיוון, אשר ניתן להעביר מחשב מארח מחובר דרך USB 2.0. באותו הקישור יכול לשמש כדי לקבוע את התצורה של היחידה חיישן.

יחידת חיישן ספינות יחד עם סט של כלים, כל אחד ניחן ארבעה סמנים רפלקטיביים מסודרים בתצורה גיאומטרית נוקשה. ההצעה מעקב המערכת באפשרותך לעקוב אחר עד שישה כלים נוקשה שונות בו זמנית, בתדר עבודה של-20 Hz. שני כלים אלה שימשו ניסויים אלה: כלי המצביע, המאפשר רכישת התנוחה התלת-ממד נגע את קצהו, וכן כלי מצויד קלאמפ, כי ניתן לחבר את המכשיר בארה ב תחת מבחן (ראה איור 14).

בצד התוכנה, כולל המעקב תנועה ברמה נמוכה סדרתי ממשק תכנות יישומים (API) עבור שתי יחידות נתונים ובקרה הרכישה, שניתן לגשת אליהם באמצעות כבל USB. כברירת מחדל, מיקום וכיוונים מוחזרים כניסה מרובת פריטים, כלומר ערך אחד בכל כל כלי במעקב. כל ערך מכיל עמדה תלת-ממד (x, y, z) מבוטא במ מ אוריינטציה (q0, qx, qy, q-z) המבוטא של קווטרניונים. המערכת גם מגיע עם ארגז של כלי תוכנה ברמה גבוהה יותר, אשר כוללת כלי מעקב גרפי להמחיש ומדידת בזמן אמת את העמדות/כיוונים של כלים מרובים בתוך שדה הראייה של היחידה חיישן.

רכיבי המערכת סקירה, אינטגרציה ותוכנות

הדיאגרמה באיור 3 מסכם את המכשור אימצה עבור הפרוטוקול, גם המתאר זרם הנתונים זורם על פני המערכות.

Figure 3
איור 3: דיאגרמת בלוק של השילוב ההתקנה ומערכת החומרה כל. החללית ארה ב מחובר למערכת אולה-OP אשר מתקשר באמצעות כבל USB עם המחברת עבור רכישת התמונה בארה ב. במקביל, המחברת מקושרת גם דרך ה-USB ההצעה מעקב המערכת, עבור רכישת נתוני מיקום, ו באמצעות Ethernet לתחנת העבודה, לעיבוד נתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

מלבד את הגששים בארה ב, הגשש תנועה, המערכת אולה-OP, אשר תוארו לעיל, ההגדרה כוללת גם שני מחשבים, כלומר מחשב נייד ותחנת עבודה. הראשון הוא הראשי חזיתי אינסטרומנטציה, קבלת וסינכרון של זרמי נתונים של נכנסות הראשי שני: הדימויים בארה ב מגיע למערכת אולה-OP ו 3D מיצוב נתונים ברכיב המעקב תנועה. הוא גם מספק משוב חזותי למפעיל לתמונות להיות רכשה. תחנת העבודה יש קיבולת כוח ואחסון חישובית גבוהה יותר באופן משמעותי. זה מספק תמיכה העורפי שלאחר עיבוד התמונה ואת מאגר datasets הדמיה משולב. תחנת העבודה משמש גםעבור הפריט החזותי של ארה ב ושל מר תמונות, כולל אפשרות סימולטני לוויזואליזציה תלת-ממדית של תמונות ומשולבות רשומים.

דרישה קריטי עבור הניסויים רכישת התמונה הוא הסינכרון של שני הנחלים הנתונים הראשי. ההצעה מעקב ומערכות אולה-OP הם עצמאיים מכשירים שלא תומכים עדיין של סינכרון מפורשת של פעילויות. בגלל זה, נתוני מיקום ונתונים תמונה בארה ב צריך להיות משולב כראוי כדי לזהות את המיקום הנכון 3D של המכשיר בארה בזמן כל פרוסה תמונה נרכשה. למטרה זו, יישום רישום ספציפי פותחה עבור הקלטה של הוספת חותמת זמן בזמן אמת את הנתונים שסופקו על ידי ההצעה מעקב המערכת, על-ידי שינוי רכיב תוכנה C++ זה נכלל, במקרה זה, ברכיב המעקב התנועה עצמה. בדרך כלל, מערכות עקיבת תנועה כוללים API ברמה נמוכה המאפשר לכידת נתונים בזמן אמת ותמלול אותם לקובץ.

שיטת סינכרון המאומץ עובד כדלקמן. כל רשומה בקובץ המופק על-ידי היישום רישום מהסוללות מומר עם חותמת זמן בתבנית "yyyy-MM-ddThh:mm:ss.kkk", שבו: y = שנה, M = חודש, d = יום, h = שעה, m = דקה, s = k השניה, = אלפית שנייה. התוכנה מבוסס מחשב אולה-OP (C++ ו MATLAB שפות תכנות) מחשבת את ההתחלה והסיום זמן של כל רצף רכישת תמונות ומאחסן מידע זה בכל תמונה בתבנית .vtk. לספק הפניה טמפורלית נפוצות במהלך הניסויים, מתבצעות בשני הליכים תוכנה לעיל במחשב חזיתי באיור3. חותמות זמן המופק בדרך זו משמשים לאחר מכן על ידי ההליכים תוכנת עיבוד דפוס, המייצרים את ערכת הנתונים הסופי (ראה פרוטוקול, סעיף 8).

רכיב תוכנה ספציפית אחר הבנתי ולהפעיל בתחנת העבודה לספק משוב בזמן-אמת למפעיל, על-ידי הנוגעות הנוכחי בארה ב בדיקה מיקום לתמונות מר ו, בפרט, כדי להגדיר את תנוחות מוגדרים מראש. רוטינה בצד השרת תוכנת פייתון מעבד את קובץ יומן הרישום של הגשש תנועה, מתרגמת הנוכחי בארה ב בדיקה עמדה לתוך צורה גיאומטרית, ושולח הנתונים לשרת Paraview. לקוח Paraview מתחבר באותו שרת Paraview ועל מציג בזמן אמת את המיקום של הצורה, נקודות המגע המוצגים על תמונת מר וכדי צורות גיאומטריות נוסף המתאר את תנוחות מוגדרים מראש. דוגמה של הפריט החזותי בזמן אמת וכתוצאה מכך מוצג באיור17.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל דגימות ביולוגיות שמוצג בסרטון השגויות שרכש דרך שרשרת אספקת מזון רגיל. דגימות אלה טופלו בהתאם לכללים אתיות ובטיחות של המוסדות המעורבים.

הערה: הדיאגרמה באיור 4 מסכם 8 שלבים עיקריים של פרוטוקול זה. שלבים 1 עד 4 כולל פעילויות ראשוניות, יבוצע רק פעם אחת לפני תחילת ייבוא תמונות ארה ב ועיבוד בשלבים. אלה בשלבים הראשונים הם כדלקמן: 1. עיצוב ראשוני של הגדרת ניסיוני, פנטום אגר (כדי להשתמש בהליכים כיול); 2) הכנת שמחוץ שור המוח; 3. רכישה של מר תמונות של המוח; 4. הגדרה של תנוחות איכותי שישמש כיעד עבור ייבוא תמונות ארה ב. שלבים 5 עד 8 מתייחסים רכישה ומכירה עיבוד תמונות ארה ב. שלבים אלה הם: 5. הגדרת הניסוי, שבו כל הכלים ומחוברים משולב ואת כל היעדים הם מוצבים לאמת; 6. כיול של המכשיר אמריקאי מאובזר עם סמנים פסיביים לניווט; 7. רכישת ארה ב תמונות של המוח שור שקוע במים, בתנוחות מראש והן באופן " modeŔ ביד חופשית 8. עיבוד שלאחר ויזואליזציה של מר משולב / ארה ב תמונת נתונים (dataset). בעוד שלב 5 יכול להתבצע רק פעם אחת, בתחילתו של פעילויות ניסיוני, שלבים 6 ו-7 יש לחזור לכל בדיקה בארה ב כל המעורבים. שלב 8 ניתן לבצע רק פעם אחת כל ערכת הנתונים המשולבים, לאחר השלמת כל רכישות.

Figure 4
איור 4 : נסיוני זרימת. דיאגרמת בלוק ממחיש את השלבים העיקריים של הפרוטוקול, כולל פירוט של הפעולות העיקריות בכל שלב. צעדים 1-5 כולל פעילויות ראשוניות והכנת ההתקנה עבורנו ורכישות; לפיכך, הם יבוצע רק פעם אחת. שלבים 6 ו-7 לערב רכישות בארה ב, יש לחזור על כל בדיקה. צעד 8, שהוא עיבוד שלאחר תמונה, ניתן לבצע רק פעם אחת בסוף. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

1-תכנון ראשוני

  1. אימות של לנדמרק מיצוב ועיצוב
    הערה: ההליך הבא מגדיר אסטרטגיה עקבית עבור המיקום של ציוני דרך, שישמש עבור הכיול של ההצעה מעקב המערכת המתוארות בסעיף 6.
    1. להכין בובה ראש פוליסטירן על ידי חיתוך צורה כ דומה לזה של המוח שור (גובה = 180 מ מ, רוחב = 144 מ"מ, אורך = 84 מ מ) באמצעות סכין.
    2. להוסיף 6 תבניות של הספירות פלינט זכוכית 3 (3 מ מ קוטר) לתוך פוליסטירן המוח, לארגן הקודקודים של משולש שווה צלעות צד כ 15 מ מ, ואני לא. מ-50 1 מ מ המשטח החיצוני (ראה איור 5 ).
    3. התחבר ההצעה מעקב המערכת למחברת באמצעות כבל USB. פתח את כלי מעקב, להתחיל מעקב תנועה ולבדוק כי כאשר נוגע למישור הזכוכית במוח פוליסטירן, הכלי מצביע נשאר בתוך מעקב בתחום התצוגה, כדי לוודא נראות ונגישות יעיל במהלך הניסויים.

Figure 5
איור 5 : פוליסטירן דגם של המוח להשתמש בשלב התכנון הראשוני. ראש הבובה פוליסטירן, לחתוך כראוי כדי לחקות את ממדי המוח שור, שימש כדי לבחור את המיקום של הדפוסים כדור זכוכית במוח. שישה משולשים דפוסים של ספירות, בקוטר 3 מ מ, יש כבר מושתל במודל פוליסטירן כפי שמוצג בתמונה, כלומר שלוש תבניות (מימין) שלושה על ההמיספרות של המוח השמאלי. < href="//ecsource.jove.com/files/ftp_ המטרה upload/55798/55798fig5large.jpg"="_ blank"> אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. הכנה פנטום אגר
    הערה: השלבים אפשר להכין פנטום אגר מעבדה-עשה כדי לשמש להליכי כיול (סעיף 6.1).
    1. בגביע, לדלל 100 גרם של גליצרין ו- 30 גרם של אגר בסול 870 של מים מזוקקים. מערבבים את התערובת, תוך הגדלת הטמפרטורה שלו עד 90 מעלות צלזיוס, במשך 10-15 דקות שופכים את התערובת מילוי של 13 x 10 x 10 ס מ מזון המכיל ולשמור אותו במקרר לפחות יום אחד.
    2. להסיר את הפאנטום אגר מהמקרר. צבע 6 כדורים זכוכית עם אמייל צהוב (עבור ניראות טובה יותר) ולהוסיף 2 תבניות של 3 זכוכית הספירות כל ב אגר פנטום (כלומר אחד בכל צד העיקריים של הבלוק), לא רחוק יותר פני מ 1 מ"מ ( איור 6).
    3. לשימור כאשר אינו בשימוש, לטבול את הפאנטום אגר בתמיסה של מים, בנזלקוניום כלוריד, באמצעות מיכל מזון פלסטיק אטומות, ולשמור אותו במקרר.

Figure 6
איור 6 : אגר פנטום. האיור מציג את הפאנטום אגר, שבו דוגמת מושתל של שלושה כדורים זכוכית הצבועים בצהוב (מסומן בחצים שחור) היא בבירור בציור בקצה התחתון. שתיאור הכלי מצביע, המשמש למדידת את העמדות כדור במהלך שלב כיול, מוצג גם ליד הפנטום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

2. המוח שור והכנה קיבוע

  1. רכוש שמחוץ שור המוח מן המזון הרגיל שרשרת האספקה. תחבורה זה על קרח (לשימור). בדרך כלל, כמו במקרה זה, המוח שמחוץ זמין לאחר נתקל הוסרה מן החיה.
  2. להסיר את המוח קרח ולמקם אותו מכסה המנוע. שואבת. . לשמור את זה בשכונה עבור הצעדים הכנה עוקבות. לבודד את האונות, על-ידי הפרדת המוח הקטן, mesencephalon, פונס, גזע המוח עם להב כירורגי, חותך המבנים על פני השטח הגחוני של המוח-
  3. בעזרת הבובה פוליסטירן כנקודת התייחסות לצורך מיקום, שתל 6 משולשים דפוסים של 3 כדורים כל בתוך קליפת המוח, באונה המצחית, העורף אונות. ודא כי ימולאו התנאים מוגדרים מראש (קרי מרחקים מפני השטח בין הספירות). עבור ניראות, לסמן את העמדות של כל התחומים על המוח על פני השטח עם טישו הירוק סימון צבע עבור היסטולוגיה ( איור 7).
  4. לטבול המוח ב 10% buffered פתרון פורמלין. השתמש מיכל פלסטיק לחלקים אנטומיים ( איור 8). להשאיר את המוח בתוך המיכל עם פורמלין למשך לפחות 3 שבועות, עד השלמת התהליך קיבעון.
    התראה: פורמלין הוא חומר כימי רעיל, יש לטפל בזהירות; תקנות ספציפיות עשוי לחול גם, למשל אותנו OSHA סטנדרטי 1910.1048 כ א

Figure 7
איור 7 : הכנה למוח שור, השרשה של מרחבי זכוכית- המוח שור מוכן על ידי פתולוג מומחה על ידי הסרת החלקים אנטומי עודף אז להשתיל את דפוסי כדור זכוכית, בהתאם (א) לתצורת בעבר מעוצב. העמדות כדור מסומנים ואז צבע ירוק על פני המוח (b). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8 : המוח שור קיבוע בפורמלין. המוח שור עם הכדורים זכוכית מושתל הוא שקוע 10% buffered פורמלין פתרון בתוך מיכל פלסטיק לחלקים אנטומיים (א). לאחר תקופת זמן של לפחות 3-שבועות, תהליך קיבוע היא מלאה (b), המוח יכול לשמש עבור רכישות התמונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

3. ייבוא תמונות מר

  1. לחלץ את המוח מהפתרון פורמלין, לשטוף אותו במים למשך הלילה, למקם אותו במיכל פלסטיק נקי, ויסגור את זה
  2. להכניס את הגורם המכיל הגליל הראש מר ולמקם אותו לתוך הסורק מר.
    3. מר
  3. לבצע סריקות העסקת סורק מר T 3 עם סליל ראשי 32 ערוצים ( איור 9). רוכשים שלוש סדרות של תמונות באמצעות T1, T2 ו CISS רצפים עם רזולוציה של 0.7x07x1 מ מ 3 ו- 0.5x0.5x1 מ מ 3 עבור T1/T2, רצפים CISS, בהתאמה. שמור התמונות מר DICOM לעצב באמצעות כלי תוכנה של הסורק מר.
  4. לאחר השימוש, לטבול את המוח בפורמלין 10% באגירה מלאה. להעביר את התמונות מר רכשה הסורק מר תחנת עבודה עיבוד.

Figure 9
איור 9 : ייבוא תמונות מר. המוח שור, ננעל בתוך מיכל פלסטיק נקי, זה לשים הסורק מר T 3 עבור מר התמונה רכישות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

4. ההגדרה של איכותי מהווה עבור רכישות התמונה בארה ב

הערה: הליך זה מגדיר סדרה של תנוחות איכותי, ביחס מר תמונות, שבו התצוגה של אזורים במוח המכילים בבירור אפשר לזהות מבנים אנטומיים ורקמות היטב הבדיל (חומר אפור ולבן במיוחד) מוגדל בתמונות ארה ב.

  1. פתח התמונות מר DICOM לעצב עם כלי תוכנה Paraview (מעתה ואילך, תוכנת ויזואליזציה). מומחה להמחיש את התמונות הן כמו פרוסות תלת-ממדי, כנדרש.
  2. לבדוק כל תמונה מר ב- dataset כדי להעריך את הנראות של מבנים אנטומיים ורקמות (למשל לרוחב החדרים, כפיס המוח האפורים של גרעיני הבסיס).
  3. בחר לאזורי משנה מרחבית תלת-ממד מתוך התמונה מר הפניה הכוללת תכונות חזותיות לזיהוי בצורה הטובה ביותר את ולהגדיר כ המטוסים חיתוך של שקיפות מירבית. לזהות 12 תנוחות מוגדרים מראש עבור רכישת התמונה בארה ב, כל מעורבים אוסף משמעותי של תכונות חזותיות.
  4. לשימוש לכל תנוחה וירטואלי, " מקורות > חרוט " ליצירת קונוס 3D כנקודת ציון ויזואלי. להתאים כל גביע גובה 40 מ מ, הרדיוס 2 מ מ והצב ידנית קונוס בשדה הראייה התלת-ממד ( איור 10). להציל את המתחם של מר התמונה, אזורים תלת-ממד, מטוסים, וציוני כקובץ מדינת Paraview.

Figure 10
איור 10 : מוגדרות מראש מהווה עבור תמונה בארה ב רכישה. סמני ב (א) הצג העמדות של תנוחות שנבחר 12 מר 3D תמונות מסגרת יושג על ידי המפעיל עבור ארה ב תמונה רכישה. (ב') מר מטוסים התואם תנוחות שנבחרו מוצגים; סמן אדום מייצג עמדה (המיוצגת במרחב תמונה של מר) בדיקה בארה ב נע בזמן אמת, עד שאחד סמנים לבנים היא הגיעה ואת הדימוי הרצוי בארה ב ניתן לרכוש באמצעות המערכת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

5. הגדרת הניסוי

  1. הסביבה לבין מטרות
    הערה: שלב זה מתאר את הכנת ההתקנה ואמצעי ניסויים רכישה בארה ב.
    1. עמדה 50 x 50 על 30 ס"מ פלסטיק טנק על שולחן, למלא אותה במים degassed עד לגובה של 15 ס מ. עמדה ההצעה מעקב המערכת כך למיכל המים הוא גלוי מלמעלה לחלוטין בתוך שדה הראייה שלו ( איור 11 ) להתחבר הגשש תנועה המחשב הנייד באמצעות כבל USB-
    2. ביצוע ההליך הציר כדי לכייל את המצביע באמצעות כלי מעקב של ההצעה מעקב המערכת 34.
    3. למקם את המערכת אולה-OP על השולחן וחבר אותו במחברת באמצעות כבל USB, מוודא כי מסך המחשב הוא גלוי בבירור האופרטור בדיקה בארה ב. מיקום תחנת העבודה על השולחן. וודא כי המסך שלו הוא נראה בבירור למפעיל.
    4. לחלץ את המוח מהפתרון פורמלין, לשטוף אותה במים. לשתק אותו לצלחת של שרף סינתטי, באמצעות מקטעים של תפירה חוט, דבק פסים ( איור 12).
    5. לטבול את הצלחת עם המוח לתוך המיכל וודא כי מרחב העבודה כולו סביב המוח מתאים בתוך שדה הראייה של החיישן תנועה, באמצעות המצביע ותוכנות מעקב כלי.

Figure 11
איור 11 : התקנה של רכישות ניסיוני עם תנועה מערכת המעקב. ההצעה מעקב חיישן ממוקם מעל מיכל המים שבו המוח שור הוא שקוע, כך המטרה. והבדיקה עם סמנים המשקף בחוזקה לגמרי שיתאים המדידה שלו שדה ראייה. < href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55798/55798fig11large.jpg" המטרה = "_ blank"> אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 12
איור 12 : מיצוב של המוח שור ב- מיכל המים. המוח שור ותשמרו על צלחת שרף סינתטי באמצעות שני חוטי תפירה (ממוקם לאורך פיסורה האורך), קבוע בצלחת עם פסים דבק. את הצלחת והמוח שור שקועים ואז במיכל מים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. חיבור המכשיר בארה ב והגדרה של אולה-OP לבצע הסריקות.
    1. לחבר את המכשיר בארה ב למערכת אולה-OP.
    2. תצורת המערכת אולה-OP דרך קבצי התצורה שלה, ממשק התוכנה שלה מהמחשב ( איור 13).
      1. הגדר דופלקס במצב המורכב של שניים משולב B-מצבי העסקת שני תדרים הפעלה שונות (7 מגה-הרץ ו- 9 מגה-הרץ). הגדר התפרצות הפרעה דו קוטבית 1-מחזור עבור כל מצב. כוון את הפוקוס שידור-25 מ מ עומק ומיקוד דינמי בקבלה עם F #= 2 פונקציה apodization sinc.
      2. להגדיר את מערכת beamformed ולהקליט בשלב quadrature (אני / Q) מפוענח נתונים.
    3. לבצע מספר בדיקות רכישה כדי להבטיח operativity מלאה.
      1. להקפיא את המערכת, על ידי לחיצה על " ההקפאה " לחצן דו-מצבי בתוכנה אולה-OP. לאפשר את מצב שמירה אוטומטית על ידי לחיצה על הלחצן הדו-מצבי מופיע שלוש תקליטונים. בחלון מוקפץ, המופיע בסוף שנת הרכישה, לכתוב את שם הקובץ ולחץ " להציל ".

Figure 13
איור 13 : הגדרת הניסוי עבורנו תמונה רכישת. אולה-OP המערכת מחוברת למחברת ממוקם בסמוך למיכל המים, כך התצוגה שלה היא בבירור למפעיל המכשיר בארה ב במהלך רכישות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. מחבר חובק למעקה את סמני רפלקטיביים פסיבית על גבי המכשיר בארה ב
    הערה: בעקבות הליך זה, אסיפה מוצק של המכשיר בארה ב וסמנים רפלקטיביים פסיבי נוצר עבור רכישות עוקבות של התמונה והמיקום נתונים. ידית
    1. למצוא תנוחה המתאימה המלחציים על החללית בארה ב. מהדק את סמני רפלקטיביים פסיבית על הידית בדיקה בארה ב ( איור 14).
    2. לבצע מספר בדיקות רכישה (ראה שלב 5.2.3) כדי להבטיח המלחציים יציב, הסימנים הם נראים בבירור על ידי ההצעה מעקב המערכת, בעוד המכשיר בארה ב נערך לתנוחות העבודה הצפוי.

Figure 14
איור 14 : כלי פסיבי עם המשקף סמני כשכרטיס על החללית פיזואלקטריים 3D הדמיה- הכלי עם סמנים כראוי כשכרטיס, קבוע על הידית בדיקה פיזואלקטריים הדמיה תלת-ממד, כך הם יוצרים אסיפה יונייטד שישמש עבור ארה ב התמונה והמיקום נתוני הרכישה באותו זמן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

6. כיול

הערה: סעיף זה מתאר את החלק ניסיוני של פרוטוקול שאוסף את המידע לחישוב העתקות הנדרש בין המסגרות התייחסות המרחבי אחרת מעורב. ראה סעיף 9 לפרטים מתמטית על שיטת חישוב. רוטינות התוכנה ב- MATLAB שפת לכיול תכנות זמינים כמו קוד-פתוח ב- https://bitbucket.org/unipv/denecor-transformations.

  1. של ארה ב מסגרת תמונה למסגרת כלי פסיבי להדק על המכשיר בארה ב
    הערה: ההליך הבא כיול משמש לחישוב הטרנספורמציה נוקשה המאפשר כדי להקצות תפקידים מרחבי ארה ב voxels התמונה המקומית מסגרת ההתייחסות של הכלי פסיבי כשכרטיס על החללית. זה יש לחזור על כל הרכבה של כלי פסיבי על בדיקה ארה ב. מיכל
    1. עמדה אגר דמה של טבילה מלאה בתוך המים. הפעל את היישום רישום כי רשומות מקם נתונים ולאסוף את העמדות של כל אחד הכדורים זכוכית 6 באגר דמה עם הכלי מצביע, תוך מעקב בתנועה.
    2. רוכשים תמונה אחת בארה ב כל לכל דפוס של 3 כדורים באגר פנטום ( איור 15) (שלב 5.2.3). מקם את המכשיר בארה ב באמצעות הזרוע מכני באמצעות הפונקציה קדם ויזואליזציה של המערכת אולה-OP, כך תבנית מלאה של שלושה כדורים היא בתוך שדה הראייה. לרכוש ולשמור את התמונה המתאימה בארה ב.
    3. להעביר את כל התמונות ארה בתבנית אולה-OP, יחד עם היומן המעקב תנועה-הקבצים, תחנת העבודה.
    4. לפתוח כל תמונה בארה בתוכנת ויזואליזציה ידנית לסמן את המיקום של מרחבי זכוכית 3 בכל אחד מהם, לתמלל את העמדות תלת-ממד לקובץ. csv.
    5. לחשב את השינוי נוקשה של ארה ב--לסמן בין שתי המסגרות הפניה (ראה את קוד פתוח שסופק ואת סעיף 9).

Figure 15
באיור 15 : רכישה של ארה ב תמונות של אגר הפאנטום לכיול. המפעיל מזיז את המכשיר בארה ב (החללית CMUT) הפאנטום אגר לרכוש שני לנו תמונות המכיל את דפוסי מוטבעת הספרה 2, כפי שמוצג בזמן אמת על ידי התוכנה אולה-OP על צג המחשב. הדימויים רכשה משמשות לאחר מכן לחשב את השינוי מן המרחב התמונה ארה ב מרחב של הכלי פסיבית עם סמנים כשכרטיס על החללית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. מן המרחב המעקב תנועה למרחב תמונה מר
    הערה: פעולות כיול הבאות משמשות כדי לחשב את השינוי נוקשה מן ההצעה מעקב המערכת מסגרת התייחסות למסגרת התייחסות התמונה מר יש לחזור על כל מיקום של המוח בתוך הטווח מבצעית של רכיב המעקב תנועה. יש לחזור על שני השלבים האחרונים בהליך זה עבור כל תמונה ברורה של מר. מיכל
    1. המוח בעמדה טבילה מלאה בתוך המים. הפעל את היישום רישום ולאסוף את העמדות של כל אחד הכדורים 18 זכוכית עם הכלי מצביע ( באיור 16). להעביר את קבצי יומן רישום של מעקב תנועה אל תחנת העבודה.
    2. לפתוח כל תמונה מר של המוח בתוכנת ויזואליזציה, באופן ידני לסמן את המיקום של כל אחד הכדורים 18 זכוכית ולשמור את קואורדינטות תלת-ממד המתאימים כמו קבצי csv.
    3. לחשב את תנועה. המעקב כדי-מר השינוי נוקשה בין שתי המסגרות הפניה (ראה את קוד מקור פתוח ושל סעיף 9).

Figure 16
באיור 16 : רכישת עמדות של מרחבי זכוכית מושתל במוח שור לכיול. שתיאור הכלי מצביע משמש כדי לרכוש, אחד אחד, העמדות של מרחבי זכוכית 18 מושתל לתוך המוח שור הושקע במים. תפקידים אלה משמשים לחישוב את צדדיormation מן ההצעה מעקב מערכת החלל למרחב תמונה מר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

7. אולטרסאונד רכישת

הערה: רוטינות התוכנה פייתון עבור Paraview, שהפרוצדורה חזותיים בזמן אמת, זמינים כמו קוד-פתוח ב- https://bitbucket.org/unipv/denecor-tracking.

  1. רכישה של ארה ב תמונות של תנוחות מראש
    1. תהדק את הסמנים על גבי המכשיר בארה ב ובצע את הליך הכיול (סעיפים 5.3 ו- 6.1). מקם את המוח וביצוע הליך הכיול (סעיפים 5.1 ו- 6.2).
    2. לאסוף את שני הפרמטרים טרנספורמציה נוקשה (ארה ב--לסמן ותנועה המעקב-אל-מר) שחושב בשלבים 6.1.5 ו 6.2.3 ולהעביר קבצים אלה לתוך התיקיה של ההליך חזותיים בזמן אמת מיושם פיתון והדמיה תוכנה ( איור 10 ב').
    3. להתחיל את ההליך חזותיים בזמן אמת באמצעות התוכנה להדמיה (ראה את קוד פתוח), ודא כי המיקום בפועל של המכשיר בארה ב מוצגת כראוי ( איור 17).
    4. הפעל את היישום רישום עבור הקלטת את המיקום של המכשיר. ידנית להתאים לכל תפקיד איכותית מראש, כפי שהוא מוצג ביישום התוכנה ויזואליזציה, עם המכשיר בארה ב ולרכוש את התמונה המתאימה עם מערכת אולה-OP (שלב 5.2.3). לעצור שני היישומים, להעביר את כל התמונות ארה בתבנית אולה-OP ותנועה קבצי יומן המעקב לתחנת העבודה.

Figure 17
איור 17 : רכישה של ארה ב תמונות של תנוחות מראש. המפעיל מעביר את המכשיר בארה ב כדי להגיע את תנוחות מוגדרים מראש; ההליך נתמך בזמן אמת על ידי שיגרה פיתון, אשר מציג את מיקום המכשיר על תמונת מר התלת-ממד של המוח על התצוגה של תחנת עבודה, שימוש בתוכנת הדמיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. רכישת ביד חופשית, הזזת תנוחות עם ארה ב ליניארי, זונדי שחזור תמונה תלת-ממדית
    הערה: השלבים הבאים הם מיועד הגששים ארה ב ליניארי בלבד ולאפשר הרכישה של רצפים של 2D מישורי ארה ב תמונות אשר , יחד עם מיקום הנתונים מן ההצעה מעקב המערכת, יש צורך שחזור תלת-ממדי.
    1. תהדק את הסמנים על גבי המכשיר בארה ב ובצע את הליך הכיול (סעיפים 5.3 ו- 6.1). מקם את המוח וביצוע הליך הכיול (סעיפים 5.1 ו- 6.2).
    2. מיקום ידנית את המכשיר בארה לתנוחה הראשונית המיועד (למשל סוף האונה כל פרונטלי). להתחיל הרכישה של רצף תמונות בכל ארה עם מערכת אולה-OP (שלב 5.2.3) לבין היישום רישום עבור בדיקה עמדה הקלטת.
    3. חלות תנועה איטית, ביד חופשית המכשיר בארה ב לקראת התנוחה הסופית המיועד (למשל בקצה הדיסטלי של האונה כל של המוח). להפסיק רכישת לנו תמונות עם מערכת אולה-OP ולהפסיק את המעקב אחר של בדיקה. העברת כל ארה ב תמונות בתבנית אולה-OP ותנועה קבצי יומן המעקב לתחנת העבודה.

8. עיבוד דפוס והדמיה

  1. עיבוד דפוס של רצפי ביד חופשית מאיתנו התמונה
    הערה: הליך זה מיושם ב- MATLAB שפת תכנות וחל על כל רצף ביד חופשית של תמונות דו-ממד בארה באולה-OP לעצב, לייצר מלא תמונות תלת-ממד.
    1. טען הרצף של ארה ב תמונות בתבנית אולה-OP. להתאים את רצף תמונות ארה עם קבצי יומן רישום מעקב תנועה. לחלץ את רצף של תנוחות מתוזמן של קבצי יומן הרישום כלולים במרווח הזמני הולך מההתחלה לסוף תהליך רכישה, כפי שנרשם על ידי מערכת אולה-OP.
    2. לחשב התזמון המדויק של כל תמונה בארה ב לפי הרצף באמצעות הפרמטרים נרשם על ידי מערכת אולה-OP.
    3. לחשב את המיקום הקשורות לכל תמונה ארה ברצף, על-ידי אינטרפולציה בין העמדות מתוזמן שני הקרוב ביותר שהוקלט על ידי ההצעה מעקב המערכת. השתמש האינטרפולציה הלינארית בין וקטורים תרגום האינטרפולציה הלינארית כדורית (SLERP) בין סבבים, המבוטא קווטרניונים.
      הערה: להניח את התמונה ארה ב החציוני ברצף - דהיינו התמונה במיקום הטוב ביותר מחיצות הרצף לשני חצאים באורך שווה (בערך) - כנקודת התייחסות הגדרת המסגרת תמונה תלת-ממד של ארה ב.
    4. להחיל דחיסת לוגריתמי לנרמל את התמונה כמקסימום, סף (בדרך כלל-60 dB) חלות על כל מטוס בתמונה ארה ב.
    5. ביחס למסגרת התייחסות, לחשב ולהחיל המרה המרחבי יחסית לכל אחת מהתמונות ארה ב אחרים ברצף כדי לקבל חבילה של מטוסים ממוקם במרחב.
    6. להחיל שיגרה האינטרפולציה הלינארית של מבנה הממוקם במרחב מטוסים כדי לייצר מערך 3D קרטזית voxels. לשמור קרטזית תלת-ממד מערך voxels כקובץ .vtk ולהקליט חותמות הזמן מרווח התואמים תזמון רכישת.
  2. עיבוד דפוס של תמונות אחרות בארה ב (לא ביד חופשית רצפים)
    הערה: ההליך הבא מוחל על כל תמונה ארה בתבנית אולה-OP חוץ כדי רצפים ביד חופשית (סעיף 8.1).
    1. טען ארה ב תמונה בתבנית אולה-OP. להחיל על דחיסת לוגריתמי, לנרמל את התמונה כמקסימום ולהחיל לסף מסוים (בדרך כלל-60 dB) כל מטוס בתמונה ארה ב.
    2. עבור תלת-ממד ארה ב תמונות, חלות רק שגרה האינטרפולציה הלינארית (כלומר המרה סריקה) המבנה של מטוסים ממוקם במרחב לייצר מערך 3D קרטזית voxels.
    3. להציל את המטוס תמונה או המערך 3D קרטזית של voxels בתור קובץ .vtk, הקלטה מרווח חותמות הזמן המקבילים של תזמון רכישת.
  3. רישום של ארה ב תמונות
    הערה: סעיף זה מתאר את ההליכים כדי לבצע את הרישום הסופי של ארה ב ושל מר תמונות, באמצעות העתקות שני שחושב במהלך השלבים הקודמים כיול, ונתוני מיקום של המכשיר בארה ב שנרשם במהלך רכישות. רוטינות התוכנה ב- MATLAB שפת תכנות עבור רישום מאיתנו תמונות זמינות בתור קוד-פתוח ב- https://bitbucket.org/unipv/denecor-transformations.
    1. לטעון את התמונה ארה בתבנית .vtk.
    2. תואם את התזמון של התמונה בארה עם קבצי יומן רישום של מעקב תנועה. לחלץ את רצף של תנוחות מתוזמן של קבצי יומן הרישום כלולים במרווח הזמני הולך מההתחלה לסוף תהליך רכישה, כפי שנרשם בתמונה .vtk.
    3. חשב עמדה הממוצע עבור התמונה בארה ב. להשתמש בממוצע לינארי של וקטורים תרגום ולהחיל את האלגוריתם המתואר הפניה 35 עבור סיבובים, המבוטא קווטרניונים.
    4. טען הטרנספורמציה ארה ב--לסמן שמתאים לתמונה ארה ב ספציפיים. לטעון את הטרנספורמציה. המעקב כדי-מר תנועה המתאים בתמונה ארה ב ספציפיים לבין הדימוי מר של הבחירה.
    5. להשתמש המיקום הממוצע יחד עם שתי הטרנספורמציות לעיל כדי לחשב את השינוי רישום נוקשה. ארה למר, ולשמור לאחרון בתבניות שונות, כולל תרגום, זוויות אוילר לאפשר להמחיש את התמונה בארה במסגרת התמונה מר של הבחירה.
  4. ויזואליזציה של תמונות ארה ב רשומים
    הערה: אלו הם השלבים הסופיים כדי להמחיש את ארה ב רכשה ותמונות מר וכדי להראות אותם לאחר הסופרפוזיציה בתוכנת הדמיה, שימוש מחושב בעבר המרות.
    1. להפעיל את תוכנת ויזואליזציה, לטעון את התמונה מר של בחירה. לטעון תמונות בארה ב כל רלוונטיות. עבור כל תמונה בארה ב, ליצור המרה Paraview ולהחיל הטרנספורמציה רישום ארה למר מחושב ( איור 18) על נתוני התמונה.

9. כיול המודלים והעתקות

הערה: סעיף זה מתאר את הפרטים המתמטיים של טכניקות כיול וטרנספורמציה בשימוש בפרוטוקול שהוצגו. פרוטוקול הניסוי כרוך ארבעה שונים מסגרות ההתייחסות צריכה להיות משולב כראוי: 1) מסגרת התמונה בארה ב, אשר תלויה בשני המאפיינים הפיזיים של המכשיר בארה ב, את התצורה סורק, מקורביו קואורדינאטות מרחביות (x y, z) כדי כל voxel בתמונה בארה ב (על אחידות, כל התמונות מישורי דו-ממדי מנועות יש y = 0); 2) מסגרת סמן (ז), שהוא טבוע על הכלי סימון פסיבי הוא כשכרטיס את המכשיר בארה ב (סעיף 6.1); 3 מסגרת מערכת מעקב (TS)) תנועה, שהוא טבוע מכשיר המעקב; 4) מר תמונה (MRI) המסגרת, אשר מוגדר על ידי הסורק, שבו associates המרחבי נקודות הציון (x, y, z) כל voxel בתמונה מר. עבור הנוחות והפשטות של סימון, ההליכים בסעיף זה מתוארים באמצעות מטריצות סיבוב (כלומר כיוון קוסינוס מטריצות) לא חוג הקווטרניונים 36.

  1. של ארה ב מסגרת מ'
    הערה: ההליך כיול ניסיוני המפורטים בסעיף 6.1 מייצרת את הפרטים הבאים: 1) תפקידים תלת-ממד (p-1, …, p 6) TS דפוסי 2 3 כדורים כל אחד, כלול את הפאנטום אגר, נמדד במסגרת המעקב תנועה; 2) עמדות 3D של כל אחד בין שני הדפוסים אותו (p 1, …, p 3) אותנו ואת (p 4, …, p 6) ארה ב שנמדד בכל השניים רכשה ארה ב תמונות; 3) שינוי אחד (R M > TS, t M > TS), שם R היא מטריצה הסיבוב והוא t וקטור תרגום, נמדדת מיקום כלי הנגינה אשר מאמר זה מתאר את המיקום היחסי של הכלי סימון פסיבי (סיבובים כל נמדדת ההצעה מעקב המערכת מדווחים כמו חוג הקווטרניונים, אשר חייב להיות מתורגם מטריצות סיבוב).
    1. החל האלגוריתם בהפניה 37 לכל אחד שני זוגות של רשימות (p-1, …, p 3) אותנו, (p-1, …, p 3) TS ו (p 4, …, p 6) אותנו, (p 4, …, p 6) TS, כדי לקבל שניים המרות של הסוג (R ארה ב > TS, t ארה ב > TS), בכל המתייחס ספציפית אחת לנו תמונת שטח. טרנספורמציה
      1. מחשוב הערכה של הרצוי (R ארה ב > M, t ארה ב > מ') מכל העתקות לעיל באופן הבא:
        R ארה ב > M = R T M > TS R ארה ב > TS
        t ארה ב > M = R T M > TS (t ארה ב > TS - t M > TS)
        הערה: שתי ההערכות משולבים על-ידי חישוב ממוצע אריתמטי של הווקטורים t ארה ב > M, ממוצע של מטריצות סיבוב R ארה ב > M באמצעות שיטת הפניה 35, לאחר נתקל לראשונה מתורגם מטריצות חוג הקווטרניונים, חוג הקווטרניונים וכתוצאה מכך בחזרה לתוך מטריצה סיבוב.
  2. מן ההצעה מעקב המערכת למסגרת MRI
    הערה: ההליך המפורטים בסעיף 6.2 מייצרת את הפרטים הבאים: 1) תפקידים תלת-ממד (p-1, …, p 18 ) TS דפוסי 6 3 כדורים כל כלול במוח שור, נמדד ההצעה מעקב המערכת מסגרת; 2) עמדות תלת-ממד של מרחבי 18 באותו (p-1, …, p 18) MRI נמדד בתמונת מר היעד.
    1. ישירות לחשב את השינוי הרצוי (R TS > MRI, t TS > MRI) על-ידי החלת האלגוריתם 37 שתי רשימות של תפקידים.
  3. של ארה ב MRI במסגרת
    הערה: ארה התמונה רכישה ההליך המתואר בסעיף 7 מייצרת תמונות אשר, לאחר פתרון חותמות הזמן הקשורים נגד תנועה המעקב היומן, קבצים, הטרנספורמציה ( R ז > TS, t M > TS) מחושב ישירות.
    1. מחשוב השינוי הרצוי באופן הבא:
      R ארה ב > MRI = R TS > MRI R M > TS R ארה ב > ז
      t ארה ב > MRI = R TS > MRI(RM>TStUS>M + tM>TS) + t TS > MRI

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

התוצאה העיקרית מושגת באמצעות פרוטוקול המתואר האימות ניסיוני של הליך הערכת הדיר ויעילים עבור דו-ממדי, יכולות הדמיה 3D מאיתנו לחקור טיפוס מבוסס על טכנולוגיית CMUT, ביישום פוטנציאליים למוח הדמיה. לאחר יישום כל השלבים המתוארים פרוטוקול, מומחה ניתן להחיל ויזואליזציה פונקציות התוכנה (למשל אוריינטציה חינם עם פרוסות, ערכה החילוץ, נפח אינטרפולציה, וכו ') כדי להשוות בין תוכן ויזואלי רשום תמונות ארצות הברית עם תמונת מר היעד. בפרט, האיכות של התמונות שהושג, לשם השוואה ישירה תקן הזהב של MRI, מייצג של ראיות הראשונה והמשמעותית על הפוטנציאל של הטכנולוגיה CMUT בתחום זה.

כדוגמה של השוואה חזותית אפשרי, איור 18 מתארת שתי פרוסות של תמונות הנפחי שהושגו עם החללית CMUT אותנו, החללית ליניארי-array פיזואלקטריים, בהתאמה, הסופרפוזיציה כדי הפרוסה המתאימה לאותו ב תמונת מר משוקלל T2. משוקלל T2 תמונות מר הוכיח כיעיל ביותר מבחינת התצוגה של התכונות הרצויות בניסויים אלה, ולכן נבחרו גם הפניות של הסופרפוזיציה. שתי תמונות ארה ב באיור נרכשו באותו התדר של 9 מגה הרץ. כפי שניתן לראות באיור18, התמונה שהושג עם החללית CMUT יש יותר רזולוציה וניגודיות; בנוסף, המאפיינים החזותיים הבולטים מוגדרות. טוב, המבנים של sulci ו- gyri הם נראים יותר בבירור, מציג רגישות גבוהה יותר, הפס הרחב של המכשיר CMUT להשיג ביצועים משופרים.

Figure 18
איור 18 : עקרון הסופרפוזיציה של פרוסות התמונה רשום של ארה ב ושל מר. האיור מציג הרישום מושגת של מר וגם לנו תמונות רכשה עם CMUT (a, c, e, g) ו פיזואלקטריים (b, d, f, h) מערך ליניארי רגשים. ב () ו- (b) המשוחזרת 3D הנתונים (dataset) מתאר מוצגים בחלל מר, הפרוסה 2D שנבחר יסומן. פאנלים (c, e, g) ו- (d, f, h) להציג את הפרוסות ארה ב ומר גבי עם הגדלת השקיפות כדי להציג את התכתובת של תכונות בגם תמונות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

עוד דוגמאות השוואתי, הקשורים לתמונות נפח תלת-ממד, מיוצגים איור 19 , באיור 20. איור 19 מציג שתי תמונות תלת-ממד, אחד שהושג עם החללית ליניארי פיזואלקטריים לאחר שיקום נפחי, וקיבלתי עוד עם החללית פיזואלקטריים נסחף מכנית עבור הדמיה תלת-ממדית. באיור 20 מציג שחזור נפח תלת-ממד של תמונות רכשה עם החללית CMUT. המבנה התלת-ממד של gyri ואת sulci של קליפת הם נראים בבירור בכל 3 המקרים, למרות הכרכים שהושג עם החללית CMUT המשטחים החיצוניים הם הרבה יותר בבירור ומוגדר יותר טוב.

Figure 19
איור 19 : נפח תמונות תלת-ממד ארה ב רכשה עם הגששים פיזואלקטריים. השוואה בין תמונות 3D של ארה ב רכשה עם החללית swept מכנית (a, c), או משוחזר מתמונות דו-ממדיות מישורי רכשה ביד חופשית עם החללית ליניארית באמצעות רכיב המעקב תנועה מיקום הנתונים (b, d). ב- (a, b) העמדות של אמצעי אחסון אלה מוצגים במסגרת התמונה מר תלת-ממד, באמצעות מתאר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 20
באיור 20 : שיחזר 3D תמונות ארה ב רכשה עם החללית CMUT. המטוסים תמונה דו-ממדית רכשה ביד חופשית על-ידי סריקת המוח שור עם החללית CMUT שימשו כדי לשחזר אמצעי אחסון תלת-ממד, כפי שמוצג בתוך (c, d). ב- (a, b) קווי המתאר של שאמצעי אחסון אלה מיוצגים במסגרת התמונה של מר תלת-ממד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

כמוצר נוספת ומשמעותית, הניסויים שנוצר dataset מרובה בדיקה מורחבת של תמונות ארה ב הכולל מיצוב נתוני רישום ביחס תמונות מר שונות של אותו יעד. איור 21 מסכם את כל תמונות תלת-ממד ב- dataset על-ידי הצגת תיבות התוחמת של כל אחד מהם בעקרון הסופרפוזיציה תמונה מר זהה.

Figure 21
איור 21 : רכשה dataset ארה ב 3D במסגרת הפניה התמונה מר. האיור מציג תמונת מר התלת-ממד של המוח ועל גבי קווי המתאר של 3D ארה ב datasets הנרכש פיזואלקטריים מכנית סחף (א), מערך ליניארי פיזואלקטריים (ב), CMUT (ג) הגששים. (ב') ו- (ג), תמונות 3D התקבלו באמצעות שחזור נפח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

באופן כללי, תוצאות אלו ממחישות את האפקטיביות של פרוטוקול המתואר, אשר אפשרה רכישה ומכירה רישום נכון של דו-ממדי/תלת-ממדי לנו תמונות בתוך מסגרת ההתייחסות של תמונת מר התלת-ממד של המוח באותו שור (איור 18, 19). לשחזר אמצעי אחסון מתמונות דו-ממדיות של ארה ב רכשה במצב ביד חופשית (d דמויות 19, 20).

באמצעות כלי תוכנה תיאר, מומחים יכולים מבחינה ויזואלית לחקור את התכונות המשמעותיות ביותר ב- 2D and 3D לנו תמונות של דגימות ביולוגיות. דוגמאות משמעותית של הערכת איכותי של המכשיר CMUT הדמיה ביצועים הוכחו ביחס לאלה של אחרים הגששים בארה ב (ראה איור 18, איור 19 , באיור 20), ביחס תמונה מר היעד (ראה איור 18). עוד יותר מתוחכמים ניתוחים אפשריים על datasets התמונה שהושג, על-ידי מומחים אנושי או באמצעות היישום של טכניקות תוכנות אחרות, כמו אלה עבור דיגיטלית, רישום ארה ב-. מר ייחודית של תמונות תלת-ממד. תוכנות אלה טכניקות יהיה התייחס בעתיד יצירות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

יצירות אחדות הוצגו בספרות המתארת את הטכניקות דומים או קשורים בפרוטוקול שהוצגו. טכניקות אלה מבוססים על השימוש של יעדים, כולל חיים קבוע או המוח גווייה, אבל הם בעיקר מתהוות עבור בדיקות של שיטות רישום דיגיטלי מסוגים שונים.

הפרוטוקול המתואר כאן, עם זאת, יש מטרה ספציפית של בדיקות ארה ב הגששים בתצורות שונות בשלבים המוקדמים של פיתוח, בגלל זה, זה ממלאת את הדרישה הבסיסית של הפארמצבטית של רכישות, כלומר על אותו דגימה ביולוגית עם תנוחות דומות. פרוטוקול שהוצג במחילות היבטים רבים של הטכניקות הקיימות מעל ומרכיבה אותם בסידור שונה למטרה זו.

בין השיעורים זה למדו במהלך ניסויים ועיצוב פרוטוקול כיול שגרות הן עד כה הפן הקריטי ביותר. למרות השיפורים רבים אימצו, מציגים השגיאה המרחבי הכולל של הערכה השלמה של המרות לאחר כיול גודל 1-1.5 מ מ. שגיאה כזו אינה עקב חוסר דיוק של רכיב המעקב תנועה (אשר לדיוק מתועדת לפי סדר 0.3 מ מ), אלא הקושי של רכישת קריאות מרחביות מדויקות על דגימה ביולוגית אשר שומרת על גמישות.

מצד שני, הניסיון שלנו, הדיוק הטמפורלי של סינכרון אינה היבט קריטי. למעשה, קצב רכישת נתוני מיקום לפי המעקב תנועה הוא אחד בסדר גודל גדול יותר התנועה של ידי אדם מנסה להשיג שהתנוחה יציב. עקב זאת, הפעם ממוצעים מחושב בפרוטוקול נרכשים על דיוק נוסף. היבט נוסף כי הוא יעיל במיוחד הוא ההגדרה של תנוחות וירטואלי. בניסויים שבוצעה, הודות השגרה מעקב בזמן אמת אחר חזותית, מפעילי יכול לנהוג רכישת תמונות דומות עבור כל 12 תנוחות וירטואליים מכל אחת הגששים ארה ב 3 ללא מאמץ רב ותמיכה מבנים מכניים.

שינוי אפשרי לפרוטוקול, יאומץ בעתיד, היא באמצעות שיטות כיול שונה ומשופרת, אשר צריך להיות מבוסס על לולאה קרוב ומשוב של העתקות מרחבית. בטופס הנוכחי, למעשה, הפרוטוקול מחייב עיבוד שלאחר משמעותית של קריאות המרחבי לחישוב מטריצות טרנספורמציה. למרות פעילות זו יכולה להתבצע עשרות דקות ואין צורך ניסויים כדי לשים במצב לא מקוון, זה שלאחר עיבוד מספק תוצאות לא ניתן לאבחן באופן מיידי, בעת ביצוע הכיול. במובן זה, משוב חזותי משופר, אולי בזמן אמת של הכיול שהתקבל יכול להיות לעזר רב בהשגת דיוק רב יותר.

עבור המימוש בפועל של הפרוטוקול, זה היסוד יש מכשירים פתוחים באופן סביר ומאפשרים את שילובי נדרש מרובים. למשל, האפשרות בפועל של סינכרון אותות מגיע ממקורות שונים - מובטחת באמצעות הגישה אל גלי נתונים שסופקו על-ידי מערכת אולה-OP במקרה זה - חיונית כיול וגם התמונה עיבוד דפוס פעילות.

גורם חשוב נוסף הוא תוכנה. למרות בלי כלים התוכנות החשובות נדרשו הניסויים, מספר שגרות C++ ו MATLAB, בתוספת מבוססת פייתון מודולים עבור Paraview, הוכיחו חיוניים עבור מספר משימות קריטי, כגון כיול, מעקב אחר תנועה משוב עבור מוגדרים מראש תנוחות, שלאחר עיבוד עבור שחזור תמונה תלת-ממדית. שוב, יש גישה לנתונים ברמה נמוכה, המיוצר על ידי הכלים חשוב מאוד ליצירת רכיבי תוכנה אלה.

לבסוף, הבחירה של היעד הנכון עבור הדמיה היא מאוד משמעותית. מספר אפשרויות חלופיות מעורבים המימוש של פאנטום סינתטי נחשבו מראש, מניסיוננו, כל החלופות האלה הופיעו תת אופטימלי לעומת הבחירה חסכונית של המוח שור קבוע בפורמלין. יעד זה מבטיח ריאליזם הרבה יותר טוב עם טיפול מתאים, לא מוגדר שימור לאורך זמן.

לסיכום, ההישג של תוצאות ניסויי הציגו, ערכת הנתונים תמונה תלת-ממדית ומשולבות בתור תוצאה קבועים ולא רלוונטי, הוא לדעתנו המוצר של אסטרטגיית שילוב טכני יעיל צריך להיות מורכבים קוויות בתחומים, דרך ניתוח זהיר של היבטים רבים משתמעת, ועוצב ביחס נהלים וכלי נגינה מעורב.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים שיש להם אינטרסים כלכליים אין מתחרים.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכו באופן חלקי על ידי ממשלות הלאומי והאיחוד האירופי באמצעות הפרויקט אניאק JU DeNeCoR תחת גרנט מספר הסכם 324257. המחברים רוצה להודות Magenes ג'ובאני פרופסור, פרופסור פיירו Tortoli, ד ר Giosuè Caliano על תמיכתם היקר, פיקוח, להערות תובנה שהרשה לזה לעבוד. אנו אסירי תודה גם פרופסור אג'ידיו ד'אנג'לו וחבורתו (עותק מוסתר במעבדה), יחד עם דל'אנג'לו Istituto Neurologico ג Mondino, על מתן ההצעה מעקב ומכשור מר, וכדי ג'אנקרלו Germani לרכישות מר. לבסוף, ברצוננו להודות ד ר Nicoletta Caramia, ד ר אלסנדרו Dallai, גב' ברברה Mauti לתמיכה טכנית שלהם יקר, מר וולטר Volpi למתן את המוח שור.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Matrone, G., Savoia, A. S., Terenzi, M., Caliano, G., Quaglia, F., Magenes, G. A Volumetric CMUT-Based Ultrasound Imaging System Simulator With Integrated Reception and µ-Beamforming Electronics Models. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 61 (5), 792-804 (2014).
  2. Pappalardo, M., Caliano, G., Savoia, A. S., Caronti, A. Micromachined ultrasonic transducers. Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications. , Springer. 453-478 (2008).
  3. Oralkan, O. Capacitive micromachined ultrasonic transducers: Next-generation arrays for acoustic imaging? IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 49 (11), 1596-1610 (2002).
  4. Savoia, A., Caliano, G., Pappalardo, M. A CMUT probe for medical ultrasonography: From microfabrication to system integration. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (6), 1127-1138 (2012).
  5. ENIAC JU project DeNeCoR website. , http://www.denecor.info (2017).
  6. Ramalli, A., Boni, E., Savoia, A. S., Tortoli, P. Density-tapered spiral arrays for ultrasound 3-D imaging. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 62 (8), 1580-1588 (2015).
  7. Lazebnik, R. S., Lancaster, T. L., Breen, M. S., Lewin, J. S., Wilson, D. L. Volume registration using needle paths and point landmarks for evaluation of interventional MRI treatments. IEEE Trans. Med. Imag. 22 (5), 653-660 (2003).
  8. Dawe, R. J., Bennett, D. A., Schneider, J. A., Vasireddi, S. K., Arfanakis, K. Postmortem MRI of human brain hemispheres: T2 relaxation times during formaldehyde fixation. Magn. Reson. Med. 61 (4), 810-818 (2009).
  9. Chen, S. J., et al. An anthropomorphic polyvinyl alcohol brain phantom based on Colin27 for use in multimodal imaging. Mag. Res. Phys. 39 (1), 554-561 (2012).
  10. Farrer, A. I. Characterization and evaluation of tissue-mimicking gelatin phantoms for use with MRgFUS. J. Ther. Ultrasound. 3 (9), (2015).
  11. Choe, A. S., Gao, Y., Li, X., Compton, K. B., Stepniewska, I., Anderson, A. W. Accuracy of image registration between MRI and light microscopy in the ex vivo brain. Magn. Reson. Imaging. 29 (5), 683-692 (2011).
  12. PVA brain phantom images website. , http://pvabrain.inria.fr (2017).
  13. Gobbi, D. G., Comeau, R. M., Peters, T. M. Ultrasound probe tracking for real-time ultrasound/MRI overlay and visualization of brain shift. Int. Conf. Med. Image Comput. Comput. Assist. Interv (MICCAI) n. 920, 927 (1999).
  14. Ternifi, R. Ultrasound measurements of brain tissue pulsatility correlate with the volume of MRI white-matter hyperintensity. J. Cereb. Blood Flow. Metab. 34 (6), 942-944 (2014).
  15. Unsgaard, G. Neuronavigation by Intraoperative Three-dimensional Ultrasound: Initial Experience during Brain Tumor Resection. Neurosurgery. 50 (4), 804-812 (2002).
  16. Pfefferbaum, A. Postmortem MR imaging of formalin-fixed human brain. NeuroImage. 21 (4), 1585-1595 (2004).
  17. Schulz, G. Three-dimensional strain fields in human brain resulting from formalin fixation. J. Neurosci. Meth. 202 (1), 17-27 (2011).
  18. Ahrens, J., Geveci, B., Law, C. ParaView: An End-User Tool for Large Data Visualization. Visualization Handbook. , Elsevier. (2005).
  19. Cloutier, G. A multimodality vascular imaging phantom with fiducial markers visible in DSA, CTA, MRA, and ultrasound. Med. Phys. 31 (6), 1424-1433 (2004).
  20. Boni, E. A reconfigurable and programmable FPGA-based system for nonstandard ultrasound methods. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (7), 1378-1385 (2012).
  21. Bagolini, A. PECVD low stress silicon nitride analysis and optimization for the fabrication of CMUT devices. J. Micromech. Microeng. 25 (1), (2015).
  22. Savoia, A. Design and fabrication of a cMUT probe for ultrasound imaging of fingerprints. Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 1877-1880 (2010).
  23. Fenster, A., Downey, D. B. Three-dimensional ultrasound imaging. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2, 457-475 (2000).
  24. Matrone, G., Ramalli, A., Savoia, A. S., Tortoli, P., Magenes, G. High Frame-Rate, High Resolution Ultrasound Imaging with Multi-Line Transmission and Filtered-Delay Multiply And Sum Beamforming. IEEE Trans. Med. Imag. 36 (2), 478-486 (2017).
  25. Matrone, G., Savoia, A. S., Caliano, G., Magenes, G. Depth-of-field enhancement in Filtered-Delay Multiply and Sum beamformed images using Synthetic Aperture Focusing. Ultrasonics. 75, 216-225 (2017).
  26. Boni, E., Cellai, A., Ramalli, A., Tortoli, P. A high performance board for acquisition of 64-channel ultrasound RF data. Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 2067-2070 (2012).
  27. Matrone, G., Savoia, A. S., Caliano, G., Magenes, G. The Delay Multiply and Sum beamforming algorithm in medical ultrasound imaging. IEEE Trans. Med. Imag. 34, 940-949 (2015).
  28. Savoia, A. S. Improved lateral resolution and contrast in ultrasound imaging using a sidelobe masking technique. Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 1682-1685 (2014).
  29. Gyöngy, G., Makra, A. Experimental validation of a convolution- based ultrasound image formation model using a planar arrangement of micrometer-scale scatterers. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 62 (6), 1211-1219 (2015).
  30. Shapoori, K., Sadler, J., Wydra, A., Malyarenko, E. V., Sinclair, A. N., Maev, R. G. An Ultrasonic-Adaptive Beamforming Method and Its Application for Trans-skull Imaging of Certain Types of Head Injuries; Part I: Transmission Mode. IEEE Trans. Biomed. Eng. 62 (5), 1253-1264 (2015).
  31. Salles, S., Liebgott, H., Basset, O., Cachard, C., Vray, D., Lavarello, R. Experimental evaluation of spectral-based quantitative ultrasound imaging using plane wave compounding. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 61 (11), 1824-1834 (2014).
  32. Alessandrini, M. A New Technique for the Estimation of Cardiac Motion in Echocardiography Based on Transverse Oscillations: A Preliminary Evaluation In Silico and a Feasibility Demonstration In Vivo. IEEE Trans. Med. Imag. 33 (5), 1148-1162 (2014).
  33. Ramalli, A., Basset, O., Cachard, C., Boni, E., Tortoli, P. Frequency-domain-based strain estimation and high-frame-rate imaging for quasi-static elastography. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (4), 817-824 (2012).
  34. NDI Polaris Vicra optical tracking system website. , http://www.ndigital.com/medical/polaris-family (2017).
  35. Markley, F. L., Cheng, Y., Crassidis, J. L., Oshman, Y. Averaging quaternions. J. Guid. Cont. Dyn. 30 (4), 1193-1197 (2007).
  36. Dorst, L., Fontijne, D., Mann, S. Geometric Algebra for Computer Science. An Object-oriented Approach to Geometry. , A Volume in the Morgan Kaufmann Series in Computer Graphics (2007).
  37. Horn, B. K. P. Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions. J. Opt. Soc. Am. A. 4 (4), 629-642 (1987).

Tags

אולטרסאונד תלת-ממד הדמיה מערכת האיתור של המוח MRI תנועה רישום התמונה שור CMUT גיליון 127 בביו-הנדסה
טיפול נסיוני הערכת הביצועים של הגששים סאונד חדש מבוסס על טכנולוגיית CMUT ביישום כדי הדמיה מוחית
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter