Beyin görüntüleme uygulamaya CMUT teknolojisi tabanlı yeni ultrason probları performansını değerlendirmek için deneysel bir iletişim kuralı

MEMS transdüserlerine dayalı yeni bir ultrason probu ailesi şu anda ortaya çıkmaktadır. CMUT bileşenleri silikon üzerine inşa edilmiştir ve geniş bant çalışması, iyi termal verimlilik ve düşük üretim maliyeti açısından önemli bir potansiyele sahiptir. Bu video, tasarım ve geliştirmenin erken prototipleme aşamalarında beyin görüntülemeye uygulanan CMUT ultrason problarının yeteneklerine erişim için protokol için sağlam ve tekrarlanabilir bir deneyi açıklamaktadır.

Kapasitif Mikro İşlenmiş Ultrason Dönüştürücüleri veya kısaca CMUT, her biri iki ultrason dönüştürücü görevi gören küçük, elektrostatik aktüatörlerin mikro fabrikasyon dizileridir. Daha ayrıntılı olarak, her bir CMUT hücresinde bir elektriksel uyarım, daha sonra hareketli plakanın mekanik titreşimini kullanan dinamik bir kuvvet üretir. Bu şekilde üretilen akustik dalgalar ortam boyunca yayılır.

Alım sırasında efekt tersine çevrilir. Doku saçılımı tarafından üretilen akustik dalgalar, CMUT hücresinin kapasitansını değiştiren hareketli plakanın titreşimlerine neden olur. Bu, daha da güçlendirilen ve ultrason sistemine iletilen bir elektrik sinyali üretir.

Bu, bu videoda gösterilen deneyler için kullanılan doğrusal CMUT probudur. Soldaki prob kafası, bir akustik lens tarafından kapsanan CMUT dizisini içerir. Sağdaki resim, paketlenmiş prob kafasını ultrason sistemine bağlayan çok kanallı kabloyla birlikte göstermektedir.

Bu, gösterilecek protokolün genel görünümüdür. Ön tasarım adımında, dönüm noktası niteliğindeki cam küreler için konumlandırma stratejisi tanımlanır ve kalibrasyon için bir Agar Fantom hazırlanır. Numune hazırlama setinde, cam kürelerin önceden tanımlanmış pozisyonlara yerleştirilmesi ve formalin içinde sabitlenmesiyle sığır beyni hazırlanır.

Daha sonra hazırlanan sığır beyni MR taramasına geçirilerek 3 boyutlu görüntüler elde edilir. Kalitatif pozlar daha sonra uzmanların yardımıyla 3D MR görüntüleri üzerinde tanımlanır. Deney ortamının kurulması, pasif izleme işaretleyicilerinin ultrason probuna yerleştirilmesini ve ULOB tarayıcının ve hareket izleme sisteminin bağlanmasını gerektirir.

Daha sonra, biri ultrason probu üzerindeki kenetlenmiş işaretleyiciler için ve diğeri hareket izleyici konumlarını hedef 3D MR görüntüsündeki konumlara dönüştürmek için olmak üzere iki kalibrasyon seti gereklidir. Ultrason görüntüsü alımları, önceden tanımlanmış, kalitatif pozları eşleştirmek için gerçek zamanlı görselleştirme aracımız kullanılarak gerçekleştirilecektir. İşlem sonrası son adımda, ultrason görüntüleri hedef 3D MR görüntüsüne kaydedilir.

Serbest hareketli görüntüler de 3B hacimler halinde yeniden oluşturulur. Daha sonra gösterilecek olan kalibrasyon faaliyeti için bir ön işlem, içine gömülü cam küre desenleri olan argala jöle ile yapılmış bir fantomun kullanılmasını içerir. Değerlendirme protokolünün maksimum gerçekçiliği ve güvenilirliği için, standart gıda tedarik zincirinden elde edilen sığır beyinleri görüntüleme hedefleri olarak seçilmiştir.

Numuneler, önceden tanımlanmış pozisyonlara cam küreler yerleştirilerek hazırlandı. Örnekler daha sonra resmi bir çözeltiye daldırıldı ve tam fiksasyona kadar en az üç hafta bu şekilde tutuldu. Sığır beyninin çoklu manyetik rezonans taramaları daha sonra farklı bekleme dizileri kullanılarak elde edildi.

Görüldüğü gibi MR görüntülerinde cam küreler çok belirgindir. Ultrason görüntülerinin elde edilmesinin tekrarlanabilirliği, 12 sanal pozun tanımlanmasıyla uygulanır. Bu önceden tanımlanmış pozların her biri, sığır beyninde morfolojik özellikler ve doku heterojenliği açısından zengin bir bölgeye işaret eder.

Özel bir yazılım rutini, hareket izleme sisteminden gelen verileri kullanarak ultrason probunun mevcut konumu ve yönü hakkında gerçek zamanlı görsel geri bildirim sağlar. Bu eksiksiz ve entegre ultrason sistemidir. Mekanik kol üzerinde, kontrol, programlama ve görselleştirme için bir USB ile bağlı bir bilgisayar kullanan ULA-OP sistemine bağlı CMUT probu.

Ve bu protokolde kullanılan ultrason probu, konumu ve yönü hareket izleme sistemi tarafından kaydedilebilmesi için yansıtıcı işaretleyicilerden oluşan bir düzenlemeye kenetlenmelidir. Fantom, yansıtıcı işaretleyicilerin nominal bir modelinin konumunu ve yönünü kaydeden ve bunları bir USB aracılığıyla bir ev bilgisayarına ileten bir kızılötesi konum sensörünün görüş alanı içindeki bir su tankına daldırılır. Her cam kürenin konumu bir işaretçi aracıyla kaydedilir.

Kayıt, operatör tarafından yönlendirilir. Kalibrasyonun amacı, ultrason görüntülerinden çıkarılan cam kürelerin konumlarını kullanarak, probun içsel görüntü çerçevesinden yansıtıcı işaretleyicilerin referans çerçevesine geometrik dönüşümü bulmaktır. Küreler ultrason görüntülerinde görünür hale getirildikten sonra, mekanik kol bloke edilir ve görüntü elde edilir.

Kalibrasyon ultrason görüntüleri daha sonra kürelerin konumlarının manuel olarak işaretlendiği ve bir dosyaya kaydedildiği bir görselleştirme aracına aktarılır. Geometrik dönüşüm daha sonra tüm bu konumları hareket izleme sistemi tarafından kaydedilen karşılık gelen konumlarla karşılaştırarak otomatik olarak hesaplanır. Protokolün amacı olan ultrason görüntülerinin konumu için, tam yıkamadan sonra, sığır beyni önce plastik bir plaka üzerinde hareketsiz hale getirilir ve daha sonra hareket izleme sisteminin görüş alanı içindeki bir su tankına daldırılır.

Sığır beynine gömülü tüm cam kürelerin konumları, hareket izleme sistemi ve işaretçi aracı ile manuel olarak kaydedilir. Bu şekilde elde edilen tüm pozisyonlar bir günlük dosyasında saklanır. İkinci kalibrasyon faaliyetinin amacı, hareket izleme sisteminin fiziksel alanından her bir MR görüntüsünün yüzüne kadar olan geometrik dönüşümü bulmaktır.

Bu görüntü, bir MR görüntüsünün 3B aşaması içinde kaydedilen tüm işaretçi konumlarını gösterir. Burada, kalibrasyondan sonra başlatılan görsel geri bildirim rutinini görüyoruz. Önceden tanımlanmış 12 sanal poz, 3D görünümde operatör tarafından görülebilir.

Burada kırmızı koni, ultrason probunun operatör tarafından elde tutulmasına karşılık gelir. Prob konumu, hareket izleme sistemi tarafından kaydedilir ve görsel geri bildirim sağlamak için gerçek zamanlı olarak dönüştürülür. Burada ULOB sistemi görüntüleri aynı anda iki frekansta kaydediyor.

Bir kenar tatmin edici olarak kabul edildiğinde, ultrason görüntüsü dondurulur ve diske kaydedilir. Farklı bir edinme yöntemi, ULOB sistemi sırayla hızlı, tekrarlanan edinimleri gerçekleştirmek üzere programlanırken yapılan ultrason probunun serbest elle taranmasıdır. Bu şekilde, sığır beyninin tüm alt hacimleri her taramada kapsanabilir.

Sonuç, her biri bir bütün olarak diske kaydedilen bir bmod ultrason görüntüsü olan bir dizi dilimdir. Her dizi, son işlem için tasarlanmıştır. Her dilim, hareket izleme sistemi tarafından sağlanan anlık konum ve yönlendirme ile ilişkilendirildiğinde ve karşılık gelen alt hacmin üç boyutlu bir resmini oluşturmak için birleştirildiğinde.

Genel olarak, bu protokolde görüntü son işlemenin amacı, özel kayıttan sonra ultrason görüntülerinin MR görüntüleriyle karşılaştırmalı bir görsel analizini mümkün kılmaktır. Burada, uzamsal kayıttan sonra bir 3B rekonstrüksiyonda birleştirilen önceden tanımlanmış pozlara karşılık gelen 12 görüntüden oluşan veri kümesini görüyoruz. Bir görselleştirme yazılım aracı kullanılarak, önceden tanımlanmış bir poza karşılık gelen her ultrason görüntüsü, üç boyutlu MR görüntüsünün karşılık gelen dilimine süperpozisyonda görülebilir ve görüntü içeriğinin saflığı değerlendirilebilir.

Bu son animasyonda, serbest el modunda tek bir taramayla elde edilen dilimlenmiş görüntülerin tüm dizilerinin üç boyutlu yeniden yapılandırılmasının sonuçlarını görebiliriz. Birkaç rekonstrüksiyon artefaktı dışında, bu görüntülerin kalitesi, teknoloji ve beyin görüntülemeye uygulama ile elde edilebilecek performans seviyesi hakkında net bir fikir vermektedir. Açıklanan deneylerle elde edilen ana sonuç, CMUT prob görüntüleme performansının değerlendirilmesi için protokolün ve her yürütme için entegre donanım ve yazılım araçları sistemi üzerindeki etkinliğinin kanıtlanmasıdır.

Ek olarak, kayıtlı ultrason ve MR görüntülerinin eksiksiz veri setleri elde edilmiştir ve bu, otomatik görüntü analizinde daha uzak durumu desteklemek için kullanılabilir. Sonuç olarak, bu videoda sunulan deneysel protokol, yenilikçi CMUT ultrason problarının görüntüleme yeteneklerinin değerlendirilmesi için etkili ve tekrarlanabilir bir yöntemdir. Gerçekleştirilmesinde, açık donanım ve yazılım araçlarının entegrasyonu temel olduğunu kanıtladı.

Yöntemin izin verdiği karşılaştırmalı ultrason ve MR görsel analizi, daha karmaşık yazılım tekniklerinin entegre edilmesiyle daha da geliştirilebilir.