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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

Bioengineering

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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.

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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).

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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.

Figure 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).

Figure 2
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.

Figure 3
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.

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Protocol

todas las muestras biológicas se muestra en este video han sido adquiridas a través de la cadena de suministro de alimentos. Estos ejemplares han sido tratados con arreglo a las normas éticas y de seguridad de las instituciones involucradas.

Nota: el diagrama en la figura 4 resume las principales 8 etapas del presente Protocolo. Etapas 1 a 4 incluyen actividades iniciales, a llevarse a cabo sólo una vez antes del comienzo de la adquisición de la imagen de Estados Unidos y las etapas de procesamiento. Estas etapas iniciales son las siguientes: 1. diseño preliminar de la instalación experimental y un fantasma de agar (para ser utilizado en procedimientos de calibración); 2) preparación del ex vivo bovina cerebro; 3. adquisición de imágenes de RM del cerebro; 4. definición de cualitativa plantea a utilizar como destino para la adquisición de la imagen de Estados Unidos. Etapas de 5 a 8 se refieren a la adquisición y procesamiento de imágenes de Estados Unidos. Estas etapas son: 5. Montaje experimental, en el que todos los instrumentos son conectados e integrados, y todos los objetivos son colocados y verificados; 6. calibración de la sonda estadounidense equipada con marcadores pasivos para la navegación; 7. adquisición de imágenes de Estados Unidos del cerebro bovino sumergido en el agua, en poses predefinidas tanto en " modeŔ a mano alzada 8. post procesamiento y visualización de la Sr. combinado / U.S. imagen conjunto de datos. Mientras que la etapa 5 se puede realizar sólo una vez, en el inicio de actividades experimentales, se deben repetir etapas 6 y 7 por cada sonda estadounidense involucrado. Paso 8 puede realizarse sólo una vez en el dataset combinado todo, cuando se hayan completado todas las adquisiciones.

Figure 4
figura 4 : flujo de trabajo de protocolo Experimental. El diagrama de bloques ilustra los principales pasos del Protocolo, incluida una lista de las principales operaciones en cada paso. Pasos 1-5 implican actividades iniciales y la preparación de la instalación para nosotros adquisiciones; por lo tanto, deben realizarse sólo una vez. Etapas 6 y 7 implican adquisiciones de Estados Unidos y deben repetirse para cada sondeo. Paso 8, que es posterior al procesamiento de imágenes, puede realizarse una sola vez al final. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

1. diseño preliminar

  1. diseño y validación de la señal de posicionamiento
    Nota: el siguiente procedimiento define una estrategia consistente para la colocación de hitos, para ser utilizado para la calibración de el sistema descrito en la sección 6 de seguimiento del movimiento.
    1. Preparar un maniquí cabeza poliestireno cortando de forma aproximadamente similar a la de cerebro bovino (altura = 180 mm, ancho = 144 mm, longitud = 84 mm) con un cuchillo.
    2. Cerebro de
    3. Insertar 6 patrones de 3 esferas de cristal de pedernal (3 mm de diámetro) en el poliestireno, dispuesto en los vértices de un triángulo isósceles con el lado de aproximadamente 15 mm y no más de 1 mm de la superficie externa (ver figura 5 ).
    4. Conectar el movimiento sistema de seguimiento al portátil vía USB. Abra la herramienta de seguimiento, comenzar el rastreo de movimiento y comprobar que al tocar las esferas de vidrio en el cerebro de poliestireno, la herramienta Puntero permanece dentro del seguimiento de campo de visión, para comprobar la visibilidad y accesibilidad efectiva durante los experimentos.

Figure 5
figura 5 : modelo de poliestireno de el cerebro durante la fase de diseño preliminar. La cabeza del maniquí poliestireno, debidamente cortada para imitar las dimensiones de cerebro bovino, se utilizó para elegir la posición de los patrones de la esfera de cristal en el cerebro. Seis patrones triangulares de esferas con un diámetro de 3 mm, se han implantado en el modelo de poliestireno como se muestra en la imagen, es decir, tres patrones en la derecha y tres en el izquierdo del cerebro hemisferios. < un href="//ecsource.jove.com/files/ftp_ upload/55798/55798fig5large.jpg"target ="_blank"> haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. fantasma preparación de agar
    Nota: estos pasos permiten para preparar un fantasma hecho de laboratorio agar para procedimientos de calibración (sección 6.1).
    1. En un vaso diluir 100 g de glicerina y 30 g de agar en 870 g de agua destilada. Revolver la mezcla, aumentando su temperatura hasta 90 ° C, durante 10-15 minutos Vierta la mezcla para llenar un 13 x 10 x 10 envase de alimento de cm y mantenerla en el refrigerador por al menos un día.
    2. Sacar el fantasma de agar de la nevera. Color 6 esferas de cristal con un esmalte amarillo (para mejor visibilidad) y Coloque 2 patrones de 3 esferas de vidrio cada uno en el agar fantasma (es decir, uno por cada lado mayor del bloque), no lejos de la superficie de 1 mm ( figura 6).
    3. Para la conservación cuando no esté en uso, sumerja el fantasma de agar en una solución de agua y cloruro de benzalconio, usando un envase de alimento plástico sellado y mantenerla en el refrigerador.

Figure 6
figura 6 : fantasma Agar. La figura muestra el fantasma de agar, en el que un patrón implantado de tres esferas de cristal pintado de amarillo (indicado por las flechas negras) es claramente visible en el borde inferior. La punta de la herramienta Puntero, utilizada para medir las posiciones de la esfera durante la fase de calibración, se muestra también junto al fantasma. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. preparación de cerebro bovino y fijación

cadena
  1. adquirir el cerebro bovino ex vivo de la alimentación habitual. Transporte en hielo (para conservación). Por lo general, como en este caso, el cerebro ex vivo está a su disposición después de haber sido retirado del animal.
  2. Quitar el cerebro de hielo y colocarlo en una campana de aspiración. Mantenerlo en la campana para los pasos posteriores de preparación. Aislar los hemisferios cerebrales, separándose del tronco encefálico, cerebelo, mesencéfalo y pons, con una cuchilla quirúrgica, cortando a través de las estructuras en la superficie ventral del cerebro.
  3. Utilizando el maniquí poliestireno como referencia para el posicionamiento, implante 6 patrones triangulares de 3 esferas en la corteza de lóbulos frontales, temporales y occipitales. Asegurar el cumplimiento de las condiciones predefinidas (es decir, las distancias de la superficie y entre las esferas). Para la visibilidad, marque las posiciones de todas las esferas en el cerebro de la superficie con un pañuelo verde marcado tinte para histología ( figura 7).
  4. Sumerja el
  5. la cerebral en el 10% tamponada con solución de formalina. Utilice un recipiente de plástico para piezas anatómicas ( figura 8). Dejar el cerebro en el recipiente con formol durante al menos 3 semanas, hasta que finalice el proceso de fijación.
    PRECAUCIÓN: formol es una sustancia química tóxica y debe manipularse con cuidado; normativa específica también pueden aplicar, por ejemplo nosotros OSHA estándar 1910.1048 aprox. A.

Figure 7
figura 7 : preparación de cerebro bovino y implantación de las esferas de cristal. El cerebro bovino está preparado por un patólogo experto quitando las piezas anatómicas en exceso y luego implantar los patrones de la esfera de vidrio, según la configuración previamente diseñada (a). Las posiciones de la esfera entonces se marcan con un tinte verde en la superficie del cerebro (b). haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
figura 8 : fijación de cerebro bovino en formalina. El cerebro bovino con las esferas de vidrio implantado se sumerge en solución de formalina al 10% tamponado dentro de un recipiente de plástico para piezas anatómicas (a). Después de un período de al menos 3 semanas, el proceso de fijación es completa (b) y el cerebro puede utilizarse para la adquisición de la imagen. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. adquisición de imágenes de Señor

  1. extraer el cerebro de la solución de formalina, lavado en agua durante la noche, colóquelo en un recipiente plástico limpio y lo del sello
  2. Poner el contenedor en la bobina de la cabeza del Señor y lo coloca en el escáner Señor.
  3. Señor
  4. realizar análisis empleando un escáner de Sr. T 3 dotado de una bobina principal de 32 canales ( figura 9). Adquirir tres conjuntos de imágenes mediante T1, T2 y CISS secuencias con una resolución de 0.7x07x1 mm 3 y 0.5x0.5x1 mm 3 para T1/T2 y secuencias CIS, respectivamente. Guardar las imágenes del Señor en DICOM formato utilizando las herramientas de software del escáner MR.
  5. Después del uso, sumergir el cerebro en formol al 10% tamponado. Transferir las imágenes de Señor adquiridas del Señor escáner a una estación de trabajo de procesamiento de.

Figure 9
figura 9 : adquisición de imágenes de MR. El cerebro bovino, sellado en un envase plástico limpio, se coloca en el escáner de Sr. T 3 para la adquisición de la imagen de Señor. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. definición de cualitativa plantea para la adquisición de la imagen de Estados Unidos

Nota: este procedimiento define un conjunto de poses cualitativas, con respecto a imágenes del Señor, en la que la visibilidad de las regiones del cerebro que contienen claramente estructuras anatómicas reconocibles y tejidos bien diferenciados (sobre todo blanco y gris materia) se maximiza en imágenes de Estados Unidos.

  1. Abierto el Sr. imágenes en DICOM formato Paraview herramienta de software (en adelante, software de visualización). Tener un experto visualizar las imágenes tanto como rebanadas de volumen 3D, como sea necesario.
  2. Inspeccionar cada imagen del Señor en el conjunto de datos para evaluar la visibilidad de las estructuras anatómicas y los tejidos (por ejemplo, los ventrículos laterales, cuerpo calloso, la materia gris de los ganglios basales).
  3. Seleccionar subregiones espaciales 3D de la imagen del Señor de referencia que contenga las mejores características visuales reconocibles y aproximadamente definir los planos de corte de máxima visibilidad. Identificar 12 poses predefinidas para la adquisición de la imagen de Estados Unidos, que implica un significativo conjunto de características visuales.
  4. Para cada pose virtual, use " fuentes > cono " para crear un cono 3D como una señal visual. Adaptar cada altura del cono de 40 mm y radio de 2 mm y coloque manualmente el cono en el campo visual 3D ( figura 10). Guardar el complejo de la imagen de Señor, regiones 3D, planos y lugares de interés como un archivo de estado de Paraview.

Figure 10
figura 10 : predefinidos posa para la imagen de Estados Unidos adquisición. Adquisición de la imagen de los marcadores en (a) Mostrar las posiciones de las posturas de las 12 en el Señor 3D imagen marco alcanzado por el operador de Estados Unidos. En (b) el Señor se muestran planos correspondientes a las poses seleccionadas; el marcador rojo representa la mudanza de posición (representada en el espacio de la imagen de Señor) Estados Unidos punta de prueba en tiempo real, hasta que uno de los marcadores blanco se alcanza y la imagen deseada de Estados Unidos puede ser adquirida por el sistema. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

5. Montaje experimental

  1. medio ambiente y objetivos
    Nota: este paso describe la preparación de la configuración y los instrumentos para experimentos de adquisición de los Estados Unidos.
    1. Posición a 50 x 50 x 30 cm plástico del tanque en una tabla y llenarla con agua desgasificada hasta una altura de 15 cm. posición del movimiento sistema de seguimiento para que el tanque de agua es visible desde arriba y completamente dentro de su campo de visión ( figura 11 ) y conecte el rastreador de movimiento al portátil vía USB.
    2. Realice el procedimiento de giro para calibrar el puntero utilizando la herramienta de seguimiento de la propuesta de seguimiento sistema 34.
    3. Coloque el sistema de ULA-OP sobre la mesa y conectarlo al portátil vía USB, asegúrese de que la pantalla es claramente visible para el operador de sonda de los Estados Unidos. Coloque la estación de trabajo en la tabla y asegúrese de que su pantalla es claramente visible para el operador.
    4. Extraer el cerebro de solución de formalina y lávela con agua. Inmovilizar en un plato de resina sintética, utilizando segmentos de coser hilo adhesivo rayas ( figura 12).
    5. Sumergir la placa con el cerebro en el tanque y verificar que todo el espacio de trabajo alrededor del cerebro se ajusta dentro del campo de visión del rastreador de movimiento, utilizando el puntero y el software de herramienta de seguimiento.

Figure 11
figura 11 : configuración de la adquisiciones experimentales con el sistema de seguimiento del movimiento. El sensor de seguimiento del movimiento se coloca sobre el tanque de agua en la que está inmerso el cerebro bovino, para que el destino y la sonda con los marcadores reflectantes con ajustan enteramente dentro de su campo de visión de la medición. < un href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55798/55798fig11large.jpg" target = "_blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 12
figura 12 : posicionamiento del cerebro bovino en la tanque de agua. El cerebro bovino es inmovilizado en una placa de resina sintética por medio de dos hilos (colocados a lo largo de la fisura longitudinal) y fija en la placa con rayas adhesivas. La placa y el cerebro bovino se sumergen entonces en el tanque de agua. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. conectando la sonda de los Estados Unidos y la configuración de ULA-OP para realizar el análisis.
    1. Conectar la sonda de los Estados Unidos al sistema ULA-OP.
    2. Configurar el sistema de ULA-OP a través de sus ficheros de configuración y su interfaz de software de la computadora ( figura 13).
      1. Definir un modo duplex que consta de dos B-modos intercalados con dos diferentes frecuencias de funcionamiento (7 MHz y 9 MHz). Establecer una explosión bipolar 1 ciclo para cada modo. Establecer el foco de transmisión de 25 mm de profundidad y enfoque dinámico en recepción con F #= 2 función de apodización de la sinc.
      2. Configurar el sistema para registrar beamformed y en-fase y cuadratura (I / Q) desmodula datos.
    3. Realizar unas pruebas de adquisición para garantizar la plena operatividad.
      1. Congelar el sistema, haciendo clic en el " Freeze " botón de alternar en el software de OP de la ULA. Activar el modo de autoguardado haciendo clic en el botón de alternar que aparece como tres discos. En la ventana emergente que aparece al final de la adquisición, escriba el nombre de archivo y haga clic " guardar ".

Figure 13
figura 13 : Adquisición de la imagen del montaje experimental para nosotros. El sistema de ULA-OP está conectado al portátil colocado cerca del tanque de agua, por lo que su pantalla es claramente visible para el operador estadounidense de sonda en adquisiciones. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. los marcadores reflexivos pasivos en la sonda de los Estados Unidos de sujeción
    Nota: siguiendo este procedimiento, se crea un conjunto sólido de la sonda de los Estados Unidos y los marcadores reflexivos pasivos para la adquisición posterior de la imagen y posición datos. Manija
    1. encontrar una posición adecuada de la pinza en la sonda de los Estados Unidos. Los marcadores reflexivos pasivos de la abrazadera del mango de la sonda de US ( figura 14).
    2. Realizar unas pruebas de adquisición (véase el paso 5.2.3) para asegurarse de que la abrazadera es estable, los marcadores son claramente visibles por el seguimiento sistema, mientras la sonda de los Estados Unidos se mantiene en las posturas de trabajo esperados del movimiento.

Figure 14
figura 14 : herramienta pasiva con reflejando los marcadores sujeta la sonda piezoeléctrico 3D-proyección de imagen de. La herramienta con los marcadores es correctamente sujeta y fija en el mango de sonda piezoeléctrico 3D-proyección de imagen de modo que formen un conjunto Unido para adquisición de datos de Estados Unidos de la imagen y la posición al mismo tiempo. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

6. calibración

Nota: esta sección describe la parte experimental del protocolo que recoge la información para calcular las transformaciones necesarias entre los marcos de referencia espacial de diferentes involucrados. Ver sección 9 para detalles matemáticos sobre el método de cálculo. Las rutinas de software en el lenguaje para la calibración de programación de MATLAB están disponibles como código abierto en https://bitbucket.org/unipv/denecor-transformations.

  1. Marco de la imagen de Estados Unidos a la estructura de la herramienta pasiva fijada en la sonda de US
    Nota: el siguiente procedimiento de calibración se utiliza para calcular la transformación rígida que permite para asignar posiciones espaciales a vóxeles de imagen de Estados Unidos en el local marco de referencia de la herramienta pasiva con abrazadera de la sonda. Se debe repetir para cada montaje de una herramienta pasiva en una sonda de los Estados Unidos.
    1. Posición el agar fantasma completa inmersión dentro del agua en el tanque. Iniciar la aplicación de registro que registros de datos de posición y recogen las posiciones de cada una de las esferas de 6 vidrio en el agar fantasma con la herramienta Puntero, mientras siguiendo su movimiento.
    2. Adquirir una imagen de Estados Unidos por cada patrón de 3 esferas de agar fantasma ( figura 15) (paso 5.2.3). Coloque la sonda de los Estados Unidos mediante el brazo mecánico utilizando la función de visualización previa del sistema ULA-OP, que es un patrón completo de tres ámbitos dentro del campo de visión. Adquirir y guardar la correspondiente imagen de Estados Unidos.
    3. Transferir todas las imágenes de Estados Unidos en formato de ULA-OP, junto con el movimiento tracker-archivos de registro, en la estación de trabajo.
    4. Abrir cada imagen de los Estados Unidos en el software de visualización, manualmente Marque la posición de las esferas de 3 cristal en cada uno de ellos y transcribir las posiciones 3D a un archivo .csv.
    5. Calcular la transformación rígida de Estados Unidos al marcador entre los dos marcos de referencia (véase el código de fuente abierta siempre y sección 9).

Figure 15
figura 15 : adquisición de Estados Unidos imágenes del fantasma para la calibración de agar. El operador mueve la sonda de los Estados Unidos (la sonda CMUT) sobre el fantasma de agar para adquirir dos nosotros imágenes que contienen los dos patrones de ámbito integrado, como se muestra en tiempo real por el software de OP de la ULA en la pantalla del ordenador. Las imágenes adquiridas entonces se utilizan para calcular la transformación del espacio de la imagen de Estados Unidos en el espacio de la herramienta pasiva con marcadores con abrazadera de la sonda. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. desde el espacio de rastreador de movimiento para el espacio de la imagen de Señor
    Nota: las siguientes operaciones de calibración se usan para calcular la transformación rígida de la propuesta de marco de referencia del sistema de seguimiento al marco de referencia de la imagen de Señor y deben repetirse para cada posición del cerebro dentro de la gama operacional del rastreador de movimiento. Los dos últimos pasos en este procedimiento se deben repetir para cada imagen distinta del Señor. Tanque de
    1. puesto el cerebro en completa inmersión dentro del agua. Iniciar la solicitud de registro y recoger las posiciones de cada una de las esferas de 18 vidrio con la herramienta Puntero ( figura 16). Transferir los archivos de registro de seguimiento de movimiento en la estación de trabajo.
    2. Abrir cada imagen del Señor del cerebro en el software de visualización, marcar la posición de cada una de las esferas de 18 vidrio manualmente y guardar las correspondientes coordenadas 3D como archivos .csv.
    3. Calcular la transformación rígida del tracker a Señor del movimiento entre los dos marcos de referencia (véase el código de fuente abierta y la sección 9).

Figure 16
figura 16 : adquisición de la posiciones de las esferas de vidrio implantadas en el cerebro bovino para la calibración de. La punta de la herramienta de puntero se utiliza para adquirir, uno por uno, las posiciones de las esferas de 18 vidrio implantadas en el cerebro bovino sumergido en el agua. Estas posiciones se utilizan para calcular la transformación del movimiento espacio de sistema de seguimiento para el espacio de la imagen de Señor. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

7. adquisición de ultrasonido

Nota: las rutinas de software en Python para Paraview, para el procedimiento de visualización en tiempo real, están disponibles como código abierto en https://bitbucket.org/unipv/denecor-tracking.

  1. Imágenes de adquisición de los E.E.U.U. de las poses predefinidas
    1. los marcadores en la sonda de los Estados Unidos de la abrazadera y ejecutar el procedimiento de calibración (secciones 5.3 y 6.1). El cerebro de la posición y ejecutar el procedimiento de calibración (secciones 5.1 y 6.2).
    2. Recoger los dos parámetros de transformación rígida (marcador de U.S. y movimiento tracker al Señor) calculado en los pasos 6.1.5 y 6.2.3 y transferir estos archivos a la carpeta del procedimiento de visualización en tiempo real, implementado en Python y la visualización software ( figura 10b).
    3. Iniciar el proceso de visualización en tiempo real usando el software de visualización (ver el código de fuente abierta) y verificar que la posición real de la sonda de los Estados Unidos se muestra correctamente ( figura 17).
    4. Iniciar la solicitud de registro para registrar la posición de la sonda. Emparejar cada posición cualitativamente predefinida, como se muestra en el software de visualización, con la sonda de los Estados Unidos y adquirir la imagen correspondiente con el sistema de ULA-OP (paso 5.2.3) manualmente. Parar las dos aplicaciones y transferir todas las imágenes de Estados Unidos en formato de ULA-OP y movimiento de archivos de registro de seguimiento a la estación de trabajo.

Figure 17
figura 17 : adquisición de Estados Unidos imágenes de las poses predefinidas. El operador mueve la sonda de los Estados Unidos para llegar a las poses predefinidas; el procedimiento se apoya en tiempo real por una rutina de Python, que muestra la posición de la sonda sobre la imagen de Señor 3D del cerebro en la pantalla de la estación de trabajo, utilizando el software de visualización. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. adquisición de freehand, poses con sondas lineales de Estados Unidos para la reconstrucción de imagen 3D en movimiento
    Nota: los siguientes pasos son destinados lineales sondas de Estados Unidos sólo y permite la adquisición de secuencias 2D de planos Estados Unidos imágenes que , junto con datos desde el sistema de seguimiento del movimiento de posicionamiento, son necesarios para la reconstrucción del volumen 3D.
    1. Los marcadores en la sonda de los Estados Unidos de la abrazadera y ejecutar el procedimiento de calibración (secciones 5.3 y 6.1). El cerebro de la posición y ejecutar el procedimiento de calibración (secciones 5.1 y 6.2).
    2. Manualmente Coloque la sonda de los Estados Unidos en la pose inicial prevista (por ejemplo, el extremo frontal de cada hemisferio). Iniciar la adquisición de cada secuencia de la imagen de Estados Unidos con el sistema de ULA-OP (paso 5.2.3) y la solicitud de registro para la grabación de la posición de punta de prueba.
    3. Aplicar un movimiento lento, a mano alzada a la sonda de los Estados Unidos hacia la pose final prevista (por ejemplo, el extremo distal de cada hemisferio del cerebro). Detiene la adquisición de imágenes con el sistema de ULA-OP nos y detiene el seguimiento de la sonda. Transferir todas las imágenes de Estados Unidos en formato de ULA-OP y movimiento de archivos de registro de seguimiento a la estación de trabajo.

8. Visualización y procesamiento posterior

  1. procesamiento posterior de secuencias a mano alzada de nosotros imagen
    Nota: este procedimiento se implementa en el lenguaje de programación MATLAB y se aplica a cada secuencia de freehand de imágenes 2D de Estados Unidos en la ULA-OP formato, para producir imágenes 3D completadas. Imágenes de
    1. carga la secuencia de Estados Unidos en el formato de la ULA-OP. Coincidir con la secuencia de imágenes de Estados Unidos con los archivos de registro de seguimiento de movimiento. Extraer una secuencia de posiciones de tiempo de los archivos de registro que se incluyen en el intervalo temporal que va desde el principio hasta el final del proceso de adquisición, según lo registrado por el sistema de ULA-OP.
    2. Calcular el tiempo exacto de cada imagen de Estados Unidos en la secuencia utilizando los parámetros registrados por el sistema de ULA-OP.
    3. Calcular la posición asociada a cada imagen de Estados Unidos en la secuencia, por interpolación entre las dos posiciones de más tiempo registradas por el sistema de seguimiento del movimiento. Usar interpolación lineal entre los vectores de la traducción y la interpolación linear esférica (SLERP) entre rotaciones, expresado como quaternions.
      Nota: Asumir la imagen media de Estados Unidos en la secuencia - es decir, la imagen en la posición que mejor divide la secuencia en dos mitades de la longitud (aproximadamente) igual - como referencia para definir el marco de imagen 3D de Estados Unidos.
    4. Aplicar una compresión logarítmica, normalizar la imagen al máximo y aplicar un umbral (típicamente-60 dB) para cada plano de la imagen de Estados Unidos.
    5. En relación con el marco de referencia, calcular y aplicar una transformación espacial relativa a cada una de las otras imágenes de Estados Unidos en la secuencia para obtener un paquete de planos espacialmente localizado.
    6. Aplicar una rutina de interpolación lineal a la estructura de planos ubicados espacialmente para producir una matriz 3D cartesiana de voxels. Guardar el cartesiano 3D matriz de vóxeles como archivo .vtk y registrar las marcas de hora de intervalo que corresponden al momento de la adquisición.
  2. Procesamiento posterior de otras imágenes de Estados Unidos (no a mano alzadas secuencias)
    Nota: el siguiente procedimiento se aplica a cada imagen de Estados Unidos en el formato de la ULA-OP excepto secuencias a mano alzada (sección 8.1). Imagen de
    1. carga de Estados Unidos en el formato de la ULA-OP. Aplicar una compresión logarítmica, normalizar la imagen al máximo y aplicar un umbral (típicamente-60 dB) para cada plano de la imagen de Estados Unidos.
    2. Para 3D imágenes de Estados Unidos solamente, aplicarán una rutina de interpolación lineal (es decir, conversión de escaneo) a la estructura de planos ubicados espacialmente para producir una matriz 3D cartesiana de vóxeles.
    3. Guardar el plano de imagen o la matriz 3D cartesiana de vóxeles como archivo .vtk, registrando las marcas de hora de intervalo que corresponden al momento de la adquisición.
  3. Imágenes de registro de los Estados Unidos
    Nota: esta sección describe los procedimientos para realizar la inscripción definitiva de Estados Unidos y Sr. imágenes, utilizando las dos transformaciones computado durante los pasos previos de calibración y los datos de posición de la sonda de los Estados Unidos en adquisiciones. Las rutinas de software en el lenguaje de programación para el registro de nosotros imágenes de MATLAB están disponibles como código abierto en https://bitbucket.org/unipv/denecor-transformations.
    1. Cargar la imagen de Estados Unidos en formato .vtk.
    2. Coincide con el momento de la imagen de Estados Unidos con archivos de registro de seguimiento de movimiento. Extraer una secuencia de posiciones de tiempo de los archivos de registro que se incluyen en el intervalo temporal que va desde el principio hasta el final del proceso de adquisición, según consta en la imagen .vtk.
    3. Calcular una posición media para la imagen de Estados Unidos. Utilizar un promedio lineal para vectores de la traducción y aplicar el algoritmo descrito en la referencia 35 rotaciones, expresado como quaternions.
    4. Carga la transformación de Estados Unidos a la posición que corresponde a la imagen específica de los Estados Unidos. La transformación de perseguidor a Señor de movimiento que corresponde a la imagen específica de los Estados Unidos y la imagen del Señor de la opción de carga.
    5. Utilizar la posición media junto con las dos transformaciones anteriores para calcular la transformación de registro rígido de Estados Unidos al Señor y guardar el último en diferentes formatos, incluyendo la traducción y los ángulos de Euler que permiten visualizar la imagen de Estados Unidos en el marco de la imagen de Señor de elección.
  4. Visualización de las imágenes de Estados Unidos registrados
    Nota: Estos son los pasos finales para visualizar las imágenes adquiridas de Estados Unidos y Señor y mostrar después de superposición en el software de visualización, usando previamente computada transformaciones.
    1. Inicie el software de visualización y carga la imagen del Señor de la opción. Cargar todas las imágenes de Estados Unidos. Para cada imagen de los Estados Unidos, crear una transformación de Paraview y la transformación de registro de los Estados Unidos al Señor computada ( figura 18) se aplican a los datos de imagen.

9. Modelos de calibración y transformaciones

Nota: esta sección describe los detalles matemáticos de las técnicas de calibración y de transformación utilizados en el protocolo presentado. El protocolo experimental incluye cuatro diferentes marcos de referencia que han de combinarse adecuadamente: 1) el marco de la imagen de Estados Unidos, que depende de las características físicas de la sonda de los Estados Unidos y la configuración de escáner, que asocia las coordenadas espaciales (x y, z) para cada voxel en una imagen de Estados Unidos (para uniformidad, todas las imágenes planares 2D se supone que y = 0); 2) el marco de marcador (M), que es inherente a la herramienta de marcador pasivo que está sujeta a la sonda de los Estados Unidos (sección 6.1); 3) el marco de sistema de rastreo (TS) del movimiento, que es inherente al instrumento de seguimiento; 4) el marco de imagen (MRI) Señor, que se define por el escáner, que asocia las coordenadas espaciales (x, y, z) para cada voxel en una imagen del Señor. Para mayor comodidad y simplicidad de notación, los procedimientos de esta sección se describen mediante matrices de rotación (es decir, matrices de coseno de dirección) y no de quaternions 36.

  1. De los Estados Unidos a M frame
    Nota: el procedimiento de calibración experimental en la sección 6.1 produce la siguiente información: 1) posiciones 3D (p 1, …, p 6) TS de los 2 patrones de 3 esferas cada uno, incluido en el fantasma de agar y medido en el marco del rastreador de movimiento; 2) posiciones 3D de cada uno de los mismos dos patrones (p 1, …, p 3) nosotros y (p 4, …, p 6) U.S. medido en cada de los dos Estados Unidos imágenes adquiridas; 3) una transformación (R M > TS, t M > TS), donde R es una matriz de rotación y t es un vector de traslación, medido por el instrumento de colocación, que describe la posición relativa de la herramienta de marcador pasivo (rotaciones todos medidas por el sistema de seguimiento del movimiento se divulgan como cuaterniones, que debe traducirse en matrices de rotación).
    1. Aplicar el algoritmo de la referencia 37 a cada uno de los dos pares de listas (p 1, …, p 3) nosotros (p 1, …, p 3) TS y (p 4, …, p 6) nosotros (p 4, …, p 6) TS, para obtener dos transformaciones de tipo (R U.S. > TS, t U.S. > TS), cada uno correspondiente a una específica nos espacio de la imagen.
      1. Calcular una estimación de la deseada transformación (R U.S. > M, t U.S. > M) de cada una de las transformaciones anteriores de la siguiente manera:
        R U.S. > M = R T M > TS R U.S. > TS
        t U.S. > M = R T M > TS (t U.S. > TS - t M > TS)
        Nota: las dos estimaciones se combinan por promedio aritmético de los vectores t U.S. > M y un promedio de las matrices de rotación R U.S. > M con el método de referencia 35, después de haber traducido primero matrices en quaternions y los quaternions resultantes en una matriz de rotación.
  2. De seguimiento sistema de marco de MRI del movimiento
    Nota: el procedimiento en la sección 6.2 produce la siguiente información: 1) posiciones 3D (p 1, …, p 18 ) TS de los 6 patrones de 3 esferas cada uno incluidos en el cerebro bovino, medido en el marco del sistema; de seguimiento del movimiento 2) posiciones 3D de las misma 18 esferas (p 1, …, p 18) MRI medido en la imagen de Señor del destino.
    1. Calcular directamente la transformación deseada (R TS > MRI, t TS > MRI) aplicando el algoritmo en 37 a las dos listas de cargos.
  3. De los Estados Unidos al marco de MRI
    Nota: el imagen adquisición procedimiento descrito en la sección 7 produce imágenes para que, después de resolver las marcas de hora asociada contra el movimiento tracker-archivos de registro, la transformación ( R M > TS, t M > TS) se calcula directamente.
    1. Calcular la transformación deseada de la siguiente manera:
      R U.S. > MRI = R TS > MRI R M > TS R U.S. > M
      t U.S. > IRM = R TS > IRM(RM>TStUS>M + tM>TS) + t TS > RM

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Representative Results

El resultado principal alcanzado mediante el protocolo descrito es la validación experimental de un procedimiento de evaluación eficaz y repetible para el 2D y capacidades de proyección de imagen 3D nos sonda prototipos basados en tecnología CMUT, en la aplicación prospectiva para el cerebro proyección de imagen. Después de implementar todos los pasos del protocolo descrito, un experto puede aplicar entonces las funciones de software de visualización (por ejemplo, corte gratuito de orientación, extracción de subconjunto, interpolación de volumen, etc.) para comparar el contenido visual de registrado Imágenes de Estados Unidos con una imagen del Señor de blanco. En particular, la calidad de las imágenes obtenidas y en comparación directa con el estándar de oro del MRI, representa una primer e importante evidencia para el potencial de la tecnología CMUT en este campo.

Como un ejemplo de una posible comparación visual, figura 18 ilustra dos rebanadas de volumétricas imágenes adquiridas con el CMUT nos sonda y la sonda de arsenal linear piezoeléctrica, respectivamente, en superposición a la mismo segmento correspondiente en un Imagen de Señor de T2-weighted. Sr. imágenes de T2-weighted demostraron para ser más eficaz en términos de visibilidad de las características deseadas en estos experimentos y por lo tanto fueron elegidas como referencias para la superposición. Las dos imágenes de Estados Unidos en la figura se adquirieron en la misma frecuencia de 9 MHz. Como se ve en la figura 18, la imagen obtenida con la sonda CMUT tiene mejor resolución y contraste; Además, las características visuales prominentes están mejor definidas y las estructuras de las convoluciones del cerebro y surcos son más claramente visibles, mostrando que la mayor sensibilidad y mayor ancho de banda de la sonda CMUT lograr mejorar el rendimiento.

Figure 18
Figura 18 : Superposición de rebanadas de imagen registradas EU y Señor. La figura muestra el registro alcanzado del Señor y nos imágenes adquiridas con el CMUT (a, c, e, g) y piezoeléctrico (b, d, f, h) sondas de matriz lineal. En (a) y (b) la reconstrucción contornos 3D conjunto de datos se muestran en el espacio del Señor y se destaca la división 2D seleccionada. Paneles (c, e, g) y (d, f, h) presentan las rebanadas superpuestas de Estados Unidos y Señor con aumento de la transparencia para mostrar la correspondencia de características en ambas imágenes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Más ejemplos comparativos, relacionados imágenes volumétricas 3D, están representados en la figura 19 y figura 20. Figura 19 muestra dos imágenes 3D, obtenida con la punta de prueba linear piezoeléctrico después de la reconstrucción volumétrica, y otra obtenida con la sonda piezoeléctrica barrida mecánicamente para la proyección de imagen 3D. Figura 20 muestra la reconstrucción volumétrica 3D de imágenes obtenidas con la sonda CMUT. La estructura 3D de las circunvoluciones y surcos de la corteza cerebral son claramente visibles en los tres casos, aunque en los volúmenes obtenidos con la sonda CMUT las superficies externas son mucho más visible y definida.

Figure 19
Figura 19 : Volumétrica 3D imágenes de Estados Unidos adquiridas con los sensores piezoeléctricos. Comparación entre imágenes 3D Estados Unidos adquirió con la sonda barrida mecánicamente (a, c), o reconstruido a partir de imágenes 2D planares adquiridas a mano alzada con la punta de prueba linear usando el rastreador de movimiento (b, d) los datos de posicionamiento. En (a, b) se muestran las posiciones de estos volúmenes en el marco de imagen de Sr. 3D, usando contornos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 20
Figura 20 : Reconstruir imágenes 3D de los Estados Unidos adquiridas con la sonda CMUT. Los planos de imagen 2D adquiridos a mano alzada por la exploración del cerebro bovino con la sonda CMUT se han utilizado para reconstruir volúmenes en 3D, como se muestra en (c, d). En (a, b) se representan los contornos de tales volúmenes en el marco de imagen 3D de Señor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Como un producto importante y adicional, los experimentos generan un conjunto de datos de multi-sonda extendido de imágenes de Estados Unidos que incluye posicionamiento y datos de registro relativos a diferentes imágenes de Señor del destino mismo. Figura 21 resume todas las imágenes 3D del conjunto de datos, mostrando los cuadros delimitadores de cada una de ellas en superposición a la misma imagen del Señor.

Figure 21
Figura 21 : Adquirir 3D conjunto de Estados Unidos en el marco de referencia de la imagen de Señor. La figura muestra la imagen de Señor 3D del cerebro y contornos superpuestos de 3D Estados Unidos conjuntos de datos adquiridos con piezoeléctrico barrida mecánicamente (a), arsenal linear piezoeléctrico (b) y (c) sondas CMUT. En (b) y (c), se obtuvieron las imágenes 3D por reconstrucción volumétrica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

En general, estos resultados demuestran la efectividad del protocolo descrito, que nos ha permitido la adquisición y el registro correcto de 2D/3D imágenes en el marco de referencia de la imagen 3D del Señor del mismo cerebro bovino (figura 18, 19), y reconstruir volúmenes de imágenes 2D de los Estados Unidos adquirido en modo mano alzado (d figuras 19, 20).

Utilizando las herramientas de software descritas, expertos pueden explorar visualmente las características más significativas en 2D y 3D nosotros imágenes de especímenes biológicos. Ejemplos significativos de la evaluación cualitativa de la sonda CMUT rendimiento la proyección de imagen han demostrado en comparación con los de otros sondeos de los Estados Unidos (véase la figura 18, figura 19 y figura 20) y en referencia a una imagen del Señor del destino (véase Figura 18). Otros análisis sofisticados son posibles en los conjuntos de datos de imagen obtenido, por expertos humanos o mediante la aplicación de otras técnicas de software, como los digitales, registro de Estados Unidos-Señor optimizado de imágenes 3D. Estos software técnicas serán abordados en el futuro obras.

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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 las primeras etapas de desarrollo y, por lo tanto, cumple un requisito fundamental de la reproducibilidad de las adquisiciones, es decir, en el mismo muestras biológicas y con poses comparables. El protocolo presentado toma muchos aspectos de las técnicas existentes por encima y monta en un arreglo diferente para este propósito.

Entre las lecciones que han aprendido durante el diseño del protocolo y la experimentación, procedimientos de calibración son el aspecto más crítico. A pesar de las muchas mejoras adoptadas, el error global espacial de todo el conjunto de transformaciones después de la calibración es en presente del orden de 1-1.5 mm. Tal error no es debido a la falta de precisión del rastreador de movimiento (que tiene una precisión documentada en el orden de 0,3 mm), sino a la dificultad de adquirir lecturas espaciales precisas sobre una muestra biológica que conserva cierta flexibilidad.

Por otro lado, en nuestra experiencia, la precisión temporal de sincronización no es un aspecto crítico. De hecho, la tasa de adquisición de datos de posición por el rastreador de movimiento es un orden de magnitud mayor que el movimiento de las manos humanas para lograr una postura estable. Debido a esto, el tiempo promedio calculado en el protocolo se adquiere para la exactitud adicional. Otro aspecto que es particularmente efectiva es la definición de poses virtuales. En los experimentos llevados a cabo, gracias a la rutina de seguimiento visual en tiempo real, los operadores podrían conducir a la adquisición de imágenes comparables para todos las doce poses virtuales de cada una de las tres sondas de Estados Unidos sin mucho esfuerzo y apoyo a las estructuras mecánicas.

Una posible modificación del Protocolo, que adoptará en el futuro, está utilizando métodos de calibración diferentes y mejores, que deben basarse en un bucle y los comentarios de las transformaciones espaciales. De hecho, en la forma actual, el protocolo requiere procesamiento posterior significativo de lectura espacial para calcular las matrices de transformación. Aunque esta actividad puede realizarse en decenas de minutos y no requiere de experimentos para poner fuera de línea, este procesamiento posterior proporciona resultados que no se pueden visualizar inmediatamente, durante la ejecución de la calibración. En este sentido, una retroalimentación visual mejorada y posiblemente en tiempo real de la calibración obtenida podría ser de gran ayuda en el logro de una mayor precisión.

Para la aplicación efectiva del Protocolo, es fundamental contar con instrumentos que son razonablemente abierta y permitir que los múltiples integraciones requeridas. Por ejemplo, la posibilidad real de la sincronización de las señales provenientes de diferentes fuentes - garantizadas por el acceso a la información interna proporcionada por el sistema de ULA-OP en este caso - es crucial para la calibración y las actividades de procesamiento de imágenes.

Otro factor importante es el software. Aunque no hay instrumentos de software principales eran necesarios para los experimentos, una serie de rutinas de C++ y MATLAB, además de módulos basados en Python para Paraview, resultado esencial para una serie de tareas vitales, tales como calibración, retroalimentación, seguimiento de movimiento para los predefinidos poses y post-processing para la reconstrucción de imagen 3D. Una vez más, tener acceso a bajo nivel datos producidos por los instrumentos es extremadamente importante para la creación de estos componentes de software.

Por último, la elección del destino adecuado para la proyección de imagen es muy importante. Varias alternativas que implican la realización de phantoms sintéticos eran considerados previamente y, en nuestra experiencia, todas estas alternativas parecen ser subóptima en comparación con la muy rentable opción de cerebro bovino fijado en formalina. Este objetivo asegura mucho mejor realismo y, con cuidado, preservación indefinida en el tiempo.

En conclusión, el logro de los resultados experimentales presentados, con el conjunto de datos 3D imagen multimodal como un resultado permanente y pertinente, es en nuestra opinión el producto de una estrategia efectiva de integración técnica que necesita ser ensamblado por trozos, a través de un análisis cuidadoso de los muchos aspectos implícita y diseñada en relación con los procedimientos e instrumentos involucrados.

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Disclosures

Los autores declaran que no tienen intereses financieros que compiten.

Acknowledgments

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

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

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