وضع بروتوكول تجريبي لتقييم أداء جديدة المسابير الموجات فوق الصوتية على أساس تكنولوجيا كمات في التطبيق لتصوير الدماغ
Summary
ويتطلب وضع المسابر الموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة) جديدة على أساس تكنولوجيا “محول طاقة” الموجات فوق الصوتية ميكروماتشينيد بالسعة (كموت) تقييما واقعيا مبكر لقدرات التصوير. يمكننا وصف بروتوكول تجريبي قابل لتكرار للولايات المتحدة الحصول على الصور والمقارنة مع صور الرنين المغناطيسي، استخدام السابقين فيفو بقرى الدماغ كهدف تصوير.
Abstract
إمكانية إجراء تقييم مبكر وقابلة للتكرار للتصوير الأداء الأساسية في التصميم ويَسْبِر عملية التنمية من جديد بالموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة). خاصة، إجراء تحليل أكثر واقعية مع أهداف التصوير الخاصة بالتطبيق يمكن أن تكون قيمة للغاية لتقييم الأداء المتوقع من تحقيقات الولايات المتحدة في هذا المجال السريرية المحتملة للتطبيق.
البروتوكول التجريبي المقدمة في هذا العمل صمم عمدا لتوفير إجراء تقييم الخاصة بالتطبيق المطورة حديثا لنا النماذج التي تستند إلى تكنولوجيا “محول طاقة” الموجات فوق الصوتية ميكروماتشينيد بالسعة (كموت) فيما يتصل بالتحقيق تصوير الدماغ.
البروتوكول يجمع بين استخدام الدماغ البقري ثابتة في الفورمالين كهدف التصوير، مما يضمن الواقعية والتكرار للإجراءات الموصوفة، وتقنيات نيورونافيجيشن التي اقترضت من جراحة الأعصاب. في الواقع متصل المسبار الأمريكي اقتراحا تتبع النظام الذي يكتسب وضع البيانات ويمكن تراكب صور الولايات المتحدة إلى مرجع صور “الرنين المغناطيسي” (السيد) في الدماغ. وهذا يوفر وسيلة للبشرية من الخبراء لإجراء تقييم نوعي بصرية المسبار الأمريكي التصوير الأداء ومقارنة المقتنيات بتحقيقات مختلفة. وعلاوة على ذلك، يعتمد البروتوكول على استخدام نظام البحث والتطوير كاملة ومفتوحة لاقتناء صورة الولايات المتحدة، أي الماسح الضوئي “بالموجات فوق الصوتية المتقدمة فتح منصة” (العلا-OP).
المخطوطة يصف بالتفصيل بالصكوك والإجراءات التي تنطوي عليها البروتوكول، لا سيما للمعايرة، والحصول على الصور وتسجيل الصور الولايات المتحدة والسيد. النتائج التي تم الحصول عليها إثبات فعالية البروتوكول العام قدم، وهو فتح تماما (في حدود الأجهزة المعنية)، قابل للتكرار، وتغطي مجموعة كاملة من الأنشطة اقتناء وتجهيز الصور الولايات المتحدة.
Introduction
السوق المتزايدة للماسحات الضوئية فوق الصوتية المحمولة والصغيرة (الولايات المتحدة) وتؤدي إلى تطوير المجسات اتشوجرافيك جديدة في أي جزء من إشارة-تكييف و beamforming إدماج الإلكترونيات في التعامل مع التحقيق، خاصة بالنسبة للتصوير 3D/4d 1-تشمل التكنولوجيات الناشئة خاصة مناسبة لتحقيق هذا المستوى العالي من التكامل “ميكروماتشينيد محولات الطاقة” بالموجات فوق الصوتية (MUTs)2، فئة من محولات الطاقة نظام الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) ملفقة على السليكون. على وجه الخصوص، MUTs سعوية (كموتس) وصلت أخيرا نضج التكنولوجي الذي يجعلها بديلاً صالحاً لمحولات الطاقة كهرضغطية المقبل توليد الموجات فوق الصوتية تصوير النظم3. كموتس جذابة جداً نظراً لتوافقها مع تكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة، واسعة النطاق الترددي-التي تعطي دقة صورة أعلى-الكفاءة الحرارية العالية، وفوق كل شيء، حساسية عالية4. في سياق المشروع ENIAC جو دينيكور (أجهزة نيوروكونترول ونيوروريهابيليتاتيون)5، يجري تحقيقات كموت المتقدمة6 للدماغ الأمريكي التصوير التطبيقات (مثل جراحة الأعصاب)، حيث عالية الجودة الصور 2D/3D/4 د و تمثيل دقيق لهياكل الدماغ المطلوبة.
في عملية التنمية من جديد الولايات المتحدة تحقيقات، إمكانية إجراء تقييمات مبكرة للتصوير الأداء الأساسية. تقنيات التقييم نموذجية تنطوي على قياس البارامترات المحددة مثل القرار، وعلى النقيض، استناداً إلى صور من محاكاة الأنسجة أشباح مع الأهداف جزءا لا يتجزأ من الهندسة المعروفة واتشوجينيسيتي. تحليل أكثر واقعية مع أهداف التصوير الخاصة بالتطبيق يمكن أن يكون قيماً للغاية لإجراء تقييم مبكر للأداء المتوقع لتحقيقات الولايات المتحدة في إمكانية تطبيقها على حقل سريرية محددة. من ناحية أخرى، التكرار الكامل المقتنيات الأساسية لاختبار المقارنة لتكوينات مختلفة على مر الزمن، وهذا الشرط يستبعد في فيفو التجارب تماما.
عدة أعمال في الأدبيات المتعلقة بتقنيات التصوير التشخيصي اقترح الاستخدام السابقين فيفو العينات الحيوانية7، جثة العقول8، أو الأنسجة محاكاة أشباح9 10من الأغراض المختلفة، التي تشمل اختبار أساليب التصوير أو خوارزميات التسجيل، وتسلسل “الرنين المغناطيسي” (MR) أو الشعاع-نمط الولايات المتحدة وتؤدي إلى جودة الصورة. على سبيل المثال، في سياق تصوير الدماغ، لازيبنيك et al. 7 استخدام المخ الأغنام الفورمالين–الثابتة لتقييم أسلوب تسجيل السيد 3D جديدة؛ وبالمثل، تشوي et al. 11 التحقيق إجراء لتسجيل السيد وصور مجهرية الخفيفة من دماغ القرد البومه الثابتة. وضعت في9 دماغ الكحول البولي فينيل (PVA) وهمية واستخدامها لأداء المقتنيات الصورة المتعدد الوسائط (أي السيد، الولايات المتحدة، والتصوير المقطعي بحسابها) لإنشاء dataset صورة مشتركة12 للاختبار لتسجيل و خوارزميات التصوير.
عموما، وهذه الدراسات تؤكد أن استخدام هدفا واقعيا لاقتناء الصورة في الواقع خطوة أساسية أثناء تطوير تقنية التصوير الجديدة. وهذا يمثل مرحلة أكثر أهمية عند تصميم جهاز تصوير جديد، مثل التحقيق “كمات لنا” المعروضة في هذه الورقة، التي لا تزال في مرحلة النماذج ويحتاج إلى اختبارات واسعة النطاق واستنساخه على مر الزمن، لضبط دقيق لتصميم جميع المعلمات قبل أن التحقيق النهائي وإمكانية التحقق من صحة في التطبيقات في فيفو (كما هو الحال في13،،من1415).
قد صمم البروتوكول التجريبي المبين في هذا العمل وبالتالي إلى توفير إجراء تقييم تصوير قوية، الخاصة بالتطبيق لتحقيقات الولايات المتحدة المطورة حديثا على أساس تكنولوجيا كمات. لضمان كل من الواقعية والتكرار، البقري اختيرت العقول (التي تم الحصول عليها من خلال سلسلة الإمدادات الغذائية التجارية القياسية) ثابتة في الفورمالين كالتصوير الأهداف. إجراء التثبيت على ضمانات طويلة الأجل الحفاظ على خصائص الأنسجة مع الاحتفاظ بخصائص الرؤية في كل من الولايات المتحدة والسيد التصوير16،17والصفات المورفولوجية مرضية.
البروتوكول المتعلق بتقييم جودة الصورة الأميركية الموصوفة هنا أيضا ينفذ سمة اقترضت من نيورونافيجيشن التقنيات المستخدمة لجراحة الأعصاب15. في مثل هذا النهج، ترتبط تحقيقات الولايات المتحدة إلى اقتراح تتبع نظام يوفر الموقف المكاني واتجاه البيانات في الوقت الحقيقي. بهذه الطريقة، يمكن تلقائياً تسجيل الصور الولايات المتحدة المكتسبة خلال الأنشطة الجراحية وتصور للتوجيه، في التراكب إلى صور السيد بريوبيراتوري من الدماغ للمريض. لأغراض البروتوكول المقدم، التراكب مع صور السيد (والتي تعتبر بمثابة معيار الذهب في تصوير الدماغ) ذات قيمة كبيرة، نظراً لأنه يسمح للخبراء البشرية لتقييم بصريا المورفولوجية وميزات النسيج يتم التعرف عليها في صور الولايات المتحدة، والعكس بالعكس، الاعتراف بوجود تصوير القطع الأثرية.
إمكانية مقارنة الصور المكتسبة مع مختلف الولايات المتحدة تحقيقات يصبح حتى أكثر إثارة للاهتمام. ويشمل البروتوكول التجريبي قدم إمكانية تحديد مجموعة ليشكل المرجعية المكانية لامتلاك الولايات المتحدة، وركزت على المناطق الأكثر ميزة الغنية وحدة التخزين المحددة في عملية تفتيش بصرية أولية لصور السيد. أداة بصرية متكاملة، وضعت برافو مفتوحة المصدر برمجيات نظام18، يوفر التوجيه لمشغلي لمطابقة هذه يطرح مسبقاً خلال مراحل اكتساب صورة الولايات المتحدة. لمعايرة الإجراءات المطلوبة بموجب البروتوكول، من الأمور الأساسية تزويد جميع العينات المستهدفة-أما بيولوجية أو الاصطناعية-معالم موقف المعرفة مسبقاً التي توفر الإشارات المكانية لا لبس فيها. يجب أن تكون هذه معالم مرئية في كل من الولايات المتحدة والسيد الصور وموجودا فعلياً للقياسات مع اقتراح نظام تتبع. العناصر التاريخية المختارة للتجربة هي مجالات صغيرة من الزجاج فلينت، أثبتت في الأدب19 الذين الرؤية في كلا من الولايات المتحدة والسيد الصور وأكده مسح الولايات المتحدة والسيد أولية قبل التجارب التي عرضت.
البروتوكول المعروضة تعتمد على “الموجات فوق الصوتية المتقدمة فتح منصة” (العلا-OP)20، كاملة ومفتوحة للبحث وتطوير نظام لنا الحصول على الصور، مما يوفر كثير الإمكانيات التجريبية على نطاق أوسع من الناحية التجارية المتاحة الماسحات الضوئية ويخدم كأساس مشترك لتقييم مختلف الولايات المتحدة تحقيقات.
أولاً، يرد وصف الأدوات المستخدمة في هذا العمل، مع الإشارة بصفة خاصة إلى المسبار كمات المصممة حديثا. البروتوكول التجريبي مقدمةوعرض بالتفصيل، مع وصف دقيق لجميع الإجراءات التي تنطوي عليها، من التصميم الأولى لمعايرة النظام، للحصول على الصور، ومرحلة ما بعد المعالجة. وأخيراً، يتم عرض الصور التي تم الحصول عليها ومناقشة النتائج، جنبا إلى جنب مع تلميحات للتطورات المستقبلية لهذا العمل.
الأجهزة
نموذج مسبار كموت
التجارب التي أجريت باستخدام المطورة حديثا 256-عنصر كمات صفيف خطي نموذج أولى، مصممة، وملفقة، ومعبأة في مختبر أكوستويليكترونيكس (أكولاب) من جامعة ترى الغجر (روما، إيطاليا)، (كمات عكس عملية التصنيع باستخدام طلب تقديم العروض)4. طلب تقديم العروض ميكروفابريكيشن والتغليف التكنولوجيا، تصور على وجه التحديد لتحقيق ممس محولات الطاقة بالنسبة لنا التصوير التطبيقات، حيث مختلق المجهرية كمات يلي السليكون “رأسا” النهج21. بالمقارنة مع غيرها من التكنولوجيات تلفيق كمات، غلة طلب تقديم العروض لتحسين الأداء التصوير نظراً لتجانس عالية لهندسة الخلايا كمات عبر الصفيف بأكمله، وإلى استخدام المواد المهندسة سمعيا في حزمة رئيس التحقيق. من السمات هامة لطلب تقديم العروض هو أن منصات الربط الكهربائية الموجودة على الجزء الخلفي من يموت كمات، مما يخفف 3D-تكامل صفائف ثنائية الأبعاد والواجهة الأمامية للإلكترونيات متعدد القنوات.
256-عنصر الصفيف كموت صممت لتعمل في نطاق تردد تركزت على 7.5 ميغاهرتز. أرض الملعب عنصر من 200 مليميكرون اختيرت للمصفوفة الناتجة في عرض الحقل لعرض الحد أقصى من 51.2 مم. تم تعريف ارتفاع عناصر الصفيف كمات واحد لتحقيق أداء مناسب من حيث القرار الأفقي والقدرة على الاختراق. واختير ارتفاع عنصر صفيف 5 مم من أجل الحصول على عرض حزمة-3 dB 0.1 ملم وعمق-3 dB التركيز من 1.8 مم في 7.5 ميغاهرتز، عند تحديد ارتفاع التركيز على عمق 18 ملم عن طريق عدسة صوتية. تم الحصول على عناصر الصفيف على صعيد ميكرومتر 195 بترتيب ويربط كهربائياً في الخلايا كمات دائرية 344 موازية، بعد تخطيط سداسية. ونتيجة لذلك، يطابق الناتج 5 ميكرومتر عنصر إلى عنصر المسافة، أي الشق، فصل الغشاء للغشاء. ويقال تمثيل تخطيطي للهيكل لمجموعة كمات في الشكل 1.
رقم 1: بنية صفيف كمات. التمثيل التخطيطي للهيكل لمجموعة كمات: صفيف عناصر مكونة من عدة خلايا متصلة بالتوازي (أ)، تخطيط كمات المجهرية (ب)؛ مقطع عرضي لخلية كمات (ج). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
كموت ميكروفابريكيشن المعلمات، أي الجانبية والأبعاد العمودية للوحة واقطاب، تم تعريف استخدام المحاكاة نمذجة العناصر المحدودة (FEM) بهدف تحقيق عملية غمر ذات النطاق العريض، وتتميز استجابة التردد تركزت على 7.5 ميغاهرتز و 100%-6 dB اتجاهين كسرى عرض النطاق ترددي. تم تعريف ارتفاع التجويف، أي أن الفجوة، لتحقيق انهيار جهد من 260 الخامس لتعظيم حساسية ذات اتجاهين، من يتحامل كمات في 70 في المائة من الجهد انهيار4، نظراً جهد إشارة إثارة قصوى الخامس 80. ويلخص الجدول 1 أهم معالم هندسية ميكروفابريكاتيد كمات.
| كمات صفيف المعلمات التصميم | |
| المعلمة | القيمة |
| الصفيف | |
| عدد العناصر | 256 |
| عنصر في الملعب | 200 ميكرومتر |
| عنصر الطول (الارتفاع) | 5 مم |
| ارتفاع ثابت التركيز | 15 ملم |
| كموت المجهرية | |
| قطر الخلية | 50 ميكرومتر |
| القطر القطب | 34 ميكرومتر |
| المسافة الجانبية خلية إلى خلية | 7.5 ميكرومتر |
| سمك اللوح | 2.5 ميكرون |
| ارتفاع الفجوة | 0.25 ميكرومتر |
الجدول 1. معلمات مسبار كمات. معلمات هندسية من كمات الخطي مجموعة التحقيق وكمات الخلية المجهرية.
يتم وصف عملية التغليف المستخدمة لدمج الصفيف كمات في رأس مسبار في مرجع4. كانت مختلقة العدسة الصوتية باستخدام مطاط سيليكون مبركن غير الأغراض حرارة الغرفة (محطة إذاعة وتليفزيون) يخدر مع معدن-أكسيد الألومنيوم المساحيق لتطابق مقاومة الصوتية للمياه وتجنب انعكاسات زائفة في واجهة22. تميزت بالمجمع الناتج بكثافة من 1280 كجم/م3 وسرعة الصوت من 1100 m/s. واختير نصف قطر انحناء 7 ملم لعدسة أسطوانية، مما يؤدي إلى تركيز بشكل هندسي من 18 ملم وسمك الحد أقصى من حوالي 0.5 مم فوق سطح محول طاقة. صورة لرئيس التحقيق كموت يرد في الشكل 2(أ).
رقم 2: مسبار كموت. رئيس التحقيق كموت المتقدمة، بما في ذلك الصفيف الخطي لمحولات الطاقة وعدسة الصوتية (أ)، ومسبار كموت كامل مع موصل (ب). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
واقترن رئيس التحقيق كموت للتعامل مع التحقيق الذي يحتوي على استقبال الأقنية التناظرية الواجهة الأمامية الإلكترونيات وكابل متعدد الأقطاب للاتصال بالماسح الضوئي الولايات المتحدة. الدوائر الإلكترونية قناة واحدة هو 9 dB مكسب إدخال-مقاومة عالية مضخم جهد الذي يوفر الكهربائية اللازمة الحالية لحملة مقاومة الكابل. إلكترونيات متعددة القنوات، الموصوفة في مرجع 4، يستند على طبولوجيا دوائر بما في ذلك جهاز استقبال فائقة منخفضة الطاقة منخفضة الضوضاء ورمز تبديل متكاملة للوجهين إشارة الإرسال/التلقي. الواجهة الأمامية للإلكترونيات وحدة الإمداد بالطاقة والجهد التحيز كمات المتولدة عن وحدة إمداد طاقة مخصصة وتغذية للتحقيق من خلال كابل متعدد الأقطاب. ويبين الشكل 2(ب)التحقيق الكامل.
كهرضغطية الولايات المتحدة تحقيقات
لمقارنة نوعية الصور التي تم الحصول عليها مع المسبار كماتأعلاه، شملت اثنين من تحقيقات الولايات المتحدة كهرضغطية المتاحة تجارياً في التجارب. الأول تحقيق الخطي الصفيف مع 192 ترانسدوسينج العناصر والملعب ميكرومتر 245 وعرض النطاق ترددي كسرى 110% تتركز في 8 ميغاهرتز. تم استخدام هذا التحقيق لاكتساب 2D ب-وضع الصور. التحقيق الثاني تحقيق لتصوير ثلاثي الأبعاد مع مجموعة خطي اجتاحت ميكانيكيا من 180 ترانسدوسينج العناصر، مع درجة ميكرومتر 245 وعرض النطاق ترددي 100% كسور تركزت في 8.5 ميجا هرتز. وضع محرك السائر داخل التحقيق الإسكان تمكن تجتاح الصفيف الخطية للحصول على طائرات متعددة، التي يمكن استخدامها لإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد ل تفحص المجلد23.
نظام العلا-البروتوكول الاختياري
الحصول على الصور الولايات المتحدة نفذت عن طريق استخدام البروتوكول الاختياري للعلا النظام20، الذي كاملة ومفتوحة نظام الولايات المتحدة للبحث والتنمية، مصممة، وأدركت في “مختبر تصميم أنظمة الإلكترونيات الدقيقة” من جامعة فلورنسا، إيطاليا. التحكم منظومة العلا-البروتوكول الاختياري، سواء في الإرسال (TX) والاستقبال (RX)، ما يصل إلى 64 قنوات مستقلة متصلة من خلال مصفوفة تبديل مسبار أمريكي مع تصل إلى 192 كهرضغطية أو كمات محولات الطاقة. نظام الهندسة المعمارية ميزات معالجة الرئيسي المجلسين، مجلس تمثيلي (AB) والرقمية المجلس (الديسيبل)، سواء الواردة في رف، التي أكملت هيئة إمدادات الطاقة ومجلس الطائرة الخلفي الذي يحتوي على موصل التحقيق وتوجيه جميع الداخلية مكونات. AB يحتوي على الواجهة الأمامية لمحولات التحقيق، وبخاصة المكونات الإلكترونية التناظرية تكييف قنوات 64 ومصفوفة التبديل القابلة للبرمجة التي خرائط القنوات TX RX ديناميكياً لمحولات الطاقة. الديسيبل المسؤول عن beamforming في الوقت الحقيقي، توليف إشارات تكساس وتجهيز RX أصداء لإنتاج الناتج المرغوب فيه (على سبيل المثال ب-وضع صور أو سونوجرامس دوبلر). يجدر تسليط الضوء على أن النظام العلا-OP شكلي تماما، ومن ثم يمكن الإشارة في تكساس أي الموجي التعسفي داخل نظام عرض النطاق الترددي (مثل البقول ثلاثة مستويات، رشقات نارية جيب، تغرد، رموز هوفمان، إلخ) بحد أقصى السعة للصوت 180؛ وبالإضافة إلى ذلك، يمكن برمجة استراتيجية beamforming وفقا لأنماط أحدث التركيز (مثلاً ركزت الموجه، متعددة بعد انتقال سطر موجه الطائرة، متباينة موجات وأشعة حيود محدودة، إلخ)24،25 . على مستوى الأجهزة، يتم مشاركة هذه المهام بين خمس صفائف البوابة القابلة للبرمجة من الحقل (FPGAs) وواحدة من معالج الإشارات الرقمية (DSP). مع 3D اجتاحت ميكانيكيا التصوير المسابير، مثل تلك المذكورة أعلاه، يتحكم النظام العلا-البروتوكول الاختياري أيضا المحرك السائر داخل التحقيق، لشراء إطارات 2D الفردية في كل موضع من الصفيف محول طاقة متزامنة.
ويمكن إعادة تكوين وقت التشغيل النظام العلا-البروتوكول الاختياري وتكييفها لمختلف الولايات المتحدة تحقيقات. فإنه يتصل من خلال قناة USB 2.0 مع كمبيوتر مضيف، مجهزة بأداة برمجية محددة. هذا الأخير وقد واجهة رسومية لتكوين الذي يوفر في الوقت الحقيقي التصور الصور الولايات المتحدة، أعيد بناؤها في أوضاع مختلفة؛ مع تحقيقات الحجمي، على سبيل المثال، يمكن عرض الصور ب-وضع اثنين من الطائرات العمودية في حجم الممسوحة ضوئياً في الوقت الحقيقي.
والميزة الرئيسية لنظام العلا-البروتوكول الاختياري للأغراض البروتوكول وصف هو أنها تسمح ضبط سهلة للمعلمات TX RX، ويوفر إمكانية الوصول الكامل إلى إشارة البيانات المجمعة في كل خطوة في تجهيز سلسلة26، كما تجعل من الممكن لاختبار طرائق جديدة للتصوير و beamforming تقنيات27،،من2829،30،31،،من3233.
نظام تتبع الحركة
أن سجل الولايات المتحدة التحقيق الموقف أثناء الحصول على الصور، حركة بصرية تتبع نظام العاملين34. النظام يقوم على وحدة استشعار التي تنبعث الأشعة تحت الحمراء عبر الأضواء اثنين (الضوء التي تنبعث منها الثنائيات (LEDs)) ويستخدم جهازي استقبال (أي عدسة وجهاز اقتران (CCD)) للكشف عن الضوء تعكسه متعددة محددة الغرض السلبي علامات مرتبة في الأشكال الجامدة المحددة مسبقاً. ثم تتم معالجة المعلومات حول الضوء المنعكس من وحدة المعالجة المركزية على متن الطائرات لحساب بيانات الموقف والتوجه، التي يمكن نقلها إلى جهاز كمبيوتر مضيف متصل عبر USB 2.0. يمكن استخدام نفس الارتباط للتحكم في تكوين وحدة الاستشعار.
وحدة استشعار السفن جنبا إلى جنب مع مجموعة من الأدوات، بعضها يتمتع بأربع علامات عاكسة مرتبة في تكوين هندسية جامدة. يمكن تتبع تتبع نظام الحركة أدوات صلبة متميزة تصل إلى ستة في وقت واحد، في وتيرة عمل لما يقرب من 20 هرتز. واستخدمت اثنين من هذه الأدوات لهذه التجارب: أداة مؤشر، الذي يتيح الحصول على موقف 3D لمست من طرفها، وأداة مجهزة بالمشبك، يمكن إرفاق المسبار الأمريكي تحت الاختبار (انظر الشكل 14).
على الجانب البرمجيات، ميزات تعقب الحركة ذات المستوى منخفض مسلسل برمجة واجهة تطبيق (API) الحصول على كل وحدة التحكم والبيانات، التي يمكن الوصول إليها عن طريق USB. بشكل افتراضي، موقف وتوجهات يتم إرجاعها كدخول متعدد العناصر، أي إدخال واحد لكل أداة يجري تعقب. يتضمن كل إدخال موقف ثلاثية الأبعاد (x, y, z) أعرب في ملم وتوجه (س0، سس، سص، سz) معبراً عنه الكواتيرنيون. كما يأتي هذا النظام مع مجموعة أدوات أدوات البرمجيات ذات مستوى أعلى، الذي يتضمن أداة تتبع رسومية لتصور وقياس في الوقت الحقيقي للمواقف/توجهات أدوات متعددة داخل مجال الرؤية لوحدة الاستشعار.
مكونات نظام لمحة عامة، والتكامل، والبرمجيات
ويلخص الرسم التخطيطي في الشكل 3 الأجهزة المعتمدة للبروتوكول، كما تصف دفق البيانات التي تتدفق عبر النظم.
الشكل 3: رسم تخطيطي للكتل تكامل النظام وإعداد الأجهزة كلها. المسبار الأميركي متصل بنظام العلا-البروتوكول الاختياري الذي يتصل عبر USB مع الكمبيوتر المحمول للحصول على صورة الولايات المتحدة. في الوقت نفسه، يرتبط دفتر الملاحظات أيضا عن طريق الناقل التسلسلي العام للحركة تتبع النظام، للحصول على البيانات الموقف، وعبر شبكة إيثرنت على محطة العمل، لمعالجة البيانات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
وبصرف النظر عن التحقيقات الأميركية وتعقب الحركة والنظام العلا-البروتوكول الاختياري، التي تم وصفها أعلاه، يتضمن الإعداد أيضا جهازي، أي جهاز كمبيوتر محمول ومحطة عمل. السابق هو الواجهة الأمامية للأجهزة، تلقي ومزامنة دفق البيانات الواردة اثنين الرئيسية الرئيسية: الصور الولايات المتحدة قادمة من نظام البروتوكول الاختياري للعلا و 3D البيانات من تعقب الحركة لتحديد المواقع. كما يوفر ملاحظات بصرية للمشغل للصور التي يتم تحصيلها. محطة العمل لديه القدرة والسلطة، وتخزين الحسابية أعلى بكثير. فإنه يوفر الدعم الخلفي لتجهيز الصور ومستودع لتصوير مجموعات البيانات المجمعة. يتم أيضا استخدام محطة العملللتصور من الولايات المتحدة والسيد الصور، بما في ذلك إمكانية التصور 3D المتزامن من الصور المتعددة الوسائط المسجلة.
هو شرط حاسم للتجارب اقتناء الصورة تزامن دفق البيانات الرئيسية اثنين. تتبع الحركة ونظم العلا-البروتوكول الاختياري هي الصكوك المستقلة التي لا تدعم بعد إجراء مزامنة صريحة للأنشطة. ونتيجة لهذا، تحتاج إلى معلومات البيانات ووضع صورة الولايات المتحدة لتكون مجتمعة بشكل صحيح للكشف عن الموضع الصحيح 3D المسبار الأميركي في وقت كان الحصول على كل شريحة صورة. ولهذا الغرض، وضعت تطبيق تسجيل دخول محددة للتسجيل والطابع الزمني في الوقت الحقيقي البيانات المقدمة من الحركة تتبع النظام، عن طريق تعديل مكون برنامج c + + المضمنة، وفي هذه الحالة، في تعقب الحركة نفسها. بشكل عام، تتميز نظم تتبع حركة API ذات المستوى منخفض التي تتيح التقاط البيانات في الوقت الحقيقي، ونسخ منها إلى ملف.
يعمل أسلوب المزامنة المعتمدة على النحو التالي. كل إدخال في ملف تطبيق تسجيل الدخول التي تنتجها هو زيادة مع طابع زمني في تنسيق “yyyy-MM-ddThh:mm:ss.kkk”، حيث: ص = سنة، M = الشهر، د = اليوم، ح = ساعة، م = s دقيقة، = ك الثانية، = ميلي ثانية. البرامج المستندة إلى “الكمبيوتر” العلا-OP (لغات البرمجة c + + و MATLAB) يحسب بدء وانتهاء الوقت لكل تسلسل اقتناء الصور ويقوم بتخزين هذه المعلومات في كل صورة بتنسيق.vtk. لتوفير مرجع زمنية مشتركة أثناء التجارب، يتم تنفيذ كل الإجراءات البرامج المذكورة أعلاه على الكمبيوتر الواجهة الأمامية في الشكل 3. ثم يتم استخدام الطوابع الزمنية التي أنتجت في هذا السبيل بإجراءات تجهيز البرمجيات التي تنتج مجموعة البيانات النهائية (انظر البروتوكول، القسم 8).
عنصر آخر من عناصر برامج محددة تتحقق وتشغيل على محطة العمل لتوفير التغذية المرتدة في الوقت الحقيقي للمشغل، بذات الصلة الحالية الولايات المتحدة التحقيق في موقف السيد الصور، وعلى وجه الخصوص، إلى المجموعة من يطرح المعرفة مسبقاً. روتين برامج الخادم في بايثون عمليات الملف سجل تعقب الحركة، ويترجم حاليا الولايات المتحدة التحقيق الموقف في شكل هندسي، ويرسل البيانات إلى ملقم برافو. يتصل عميل برافو على نفس الملقم برافو ويعرض في الوقت الحقيقي وضع الشكل الهندسي، فرضه على صورة السيد وإلى المزيد من أشكال هندسية تصف يطرح المعرفة مسبقاً. ويرد مثال على التصور في الوقت الحقيقي الناجم عن ذلك في الشكل 17.
Protocol
Representative Results
Discussion
قد عرضت عدة أعمال في الأدب تصف الأساليب المماثلة أو ذات الصلة بالبروتوكول قدم. وتستند هذه التقنيات أيضا استخدام أهداف واقعية، بما في ذلك الحيوان ثابتة أو أدمغة الجثث، ولكن حملن هم أساسا لاختبار أساليب التسجيل الرقمي من مختلف الأنواع.
بيد أن البروتوكول هو موضح هنا، بغرض محد?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ودعمت هذا العمل تم جزئيا من الحكومات الوطنية، والاتحاد الأوروبي من خلال مشروع جو ENIAC دينكر تحت منحة اتفاق عدد 324257. الكتاب يود أن يشكر البروفسور جيوفاني ماجينيس، والبروفيسور بييرو تورتولي والدكتور Giosuè كاليانو للدعم الثمين والإشراف، والتعليقات الثاقبة التي مكنت من هذا العمل. نحن ممتنون أيضا للأستاذ الدكتور ايغيديو دانجيلو ومجموعته (مختبر مخفية)، جنبا إلى جنب مع مؤسسة المعهد نيورولوجيكو جيم Mondino، لتوفير تتبع الحركة والسيد الأجهزة، وجرماني جيانكارلو للمقتنيات MR. وأخيراً، نود أن نشكر الدكتور نيكوليتا كاراميا والدكتور أليساندرو دالي والسيدة باربرا موتى لدعمها التقني القيم والسيد والتر فولبي لتوفير الدماغ البقري.
Materials
| ULA-OP | University of Florence | N/A | Ultrasound imaging research system |
| 3D imaging piezeoelectric probe | Esaote s.p.a. | 9600195000 | Mechanically-swept 3D ultrasound probe, model BL-433 |
| Linear-array piezoelectric probe | Esaote s.p.a. | 122001100 | Ultrasound linear array probe, model LA-533 |
| CMUT probe | University Roma Tre | N/A | Ultrasound linear array probe based on CMUT technology |
| MAGNETOM Skyra 3T MR scanner | Siemens Healthcare | N/A | MR scanner |
| Head coil | Siemens Healthcare | N/A | 32-channel head coil for MR imaging |
| NDI Polaris Vicra | NDI Medical | 8700335001 | Optical motion tracking system |
| Pointer tool | NDI Medical | 8700340 | Passive pointer tool with 4 reflecting markers |
| Clamp-equipped tool | NDI Medical | 8700399 | Rigid body with 4 reflecting markers and a clamp to be connected to the US probe handle |
| Bovine brain | N/A | N/A | Brain of an adult bovine, from food suppliers |
| Formalin solution | N/A | N/A | 10% buffered formalin solution for bovine brain fixation – CAUTION, formalin is a toxic chemical substance and must be handled with care; specific regulations may also apply (see for instance US OSHA Standard 1910.1048 App A) |
| Plastic container for anatomical parts | N/A | N/A | Cilindrical plastic container with lid |
| Glass spheres | N/A | N/A | 3mm diameter spheres of Flint glass |
| Agar | N/A | N/A | 30 g, for phantom preparation |
| Glycerine | AEFFE Farmaceutici | A908005248 | 100 g, for phantom preparation |
| Distilled water | Solbat Gaysol | 8027391000015 | 870 g, for phantom preparation |
| Beaker | N/A | N/A | Beaker used for the diluition of glycerine and agar in distilled water |
| Lysoform | Lever | 8000680500014 | A benzalkonium chloride and water solution was used for the agar phantom preservation |
| Polystyrene mannequin head | N/A | N/A | Polyestirene model which was cutted and used to design the configuration of spheres'patterns |
| Green tissue marking dye for histology | N/A | N/A | Colour used to mark the glass spheres' positions on the bovine brain surface |
| Yellow enamel | N/A | N/A | Enamel used to colour the glass spheres implanted in the agar phantom |
| Water tank | N/A | N/A | 50x50x30 cm plastic tank filled degassed water up to a 15cm height |
| Mechanical arm | Esaote s.p.a. | N/A | Mechanical arm clamped to the water tank border and used to held the probe in fixed positions |
| Plate of synthetic resin | N/A | N/A | Plate used as a support for the bovine brain positioning in the water tank |
| Sewing threads | N/A | N/A | Sewing thread segments used to immobilize the brain on the resin plate |
| Adhesive tape | N/A | N/A | Adhesive tape used to fix the sewing thread extremities onto the resin plate |
| Plastic food container | N/A | N/A | Sealed food container used for the agar phantom |
| Notebook | Lenovo | Z50-70 | Lenovo Z50-70, Intel(R) Core i7-4510U @ 2.0 GHz, 8 GB RAM |
| Workstation | Dell Inc. | T5810 | Intel(R) Xeon(R) CPU E3-1240v3 @ 3.40 GHz, 16 GB RAM |
| Matlab | The MathWorks | R2013a | Software tool, used for space transformation computation and 3D reconstruction from image planes |
| Paraview | Kitware Inc. | v. 4.4.1 | Open-source software for 3D image processing and visualization |
| NDI Toolbox – ToolTracker Utility | NDI Medical | v. 4.007.007 | Software for marker position visualization and tracking in the NDI Polaris Vicra measurement volume |
| C++ data-logging software | NDI Medical | v. 4.007.007 | Software for marker position recording on a text log file |
| ULA-OP software | University of Florence | N/A | Software for real-time display and control of the ULA-OP system |
References
- Matrone, G., Savoia, A. S., Terenzi, M., Caliano, G., Quaglia, F., Magenes, G. A Volumetric CMUT-Based Ultrasound Imaging System Simulator With Integrated Reception and µ-Beamforming Electronics Models. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 61 (5), 792-804 (2014).
- Pappalardo, M., Caliano, G., Savoia, A. S., Caronti, A. . Micromachined ultrasonic transducers. Piezoelectric and Acoustic Materials for Transducer Applications. , 453-478 (2008).
- Oralkan, O. Capacitive micromachined ultrasonic transducers: Next-generation arrays for acoustic imaging?. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 49 (11), 1596-1610 (2002).
- Savoia, A., Caliano, G., Pappalardo, M. A CMUT probe for medical ultrasonography: From microfabrication to system integration. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (6), 1127-1138 (2012).
- Ramalli, A., Boni, E., Savoia, A. S., Tortoli, P. Density-tapered spiral arrays for ultrasound 3-D imaging. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 62 (8), 1580-1588 (2015).
- Lazebnik, R. S., Lancaster, T. L., Breen, M. S., Lewin, J. S., Wilson, D. L. Volume registration using needle paths and point landmarks for evaluation of interventional MRI treatments. IEEE Trans. Med. Imag. 22 (5), 653-660 (2003).
- Dawe, R. J., Bennett, D. A., Schneider, J. A., Vasireddi, S. K., Arfanakis, K. Postmortem MRI of human brain hemispheres: T2 relaxation times during formaldehyde fixation. Magn. Reson. Med. 61 (4), 810-818 (2009).
- Chen, S. J., et al. An anthropomorphic polyvinyl alcohol brain phantom based on Colin27 for use in multimodal imaging. Mag. Res. Phys. 39 (1), 554-561 (2012).
- Farrer, A. I. Characterization and evaluation of tissue-mimicking gelatin phantoms for use with MRgFUS. J. Ther. Ultrasound. 3 (9), (2015).
- Choe, A. S., Gao, Y., Li, X., Compton, K. B., Stepniewska, I., Anderson, A. W. Accuracy of image registration between MRI and light microscopy in the ex vivo brain. Magn. Reson. Imaging. 29 (5), 683-692 (2011).
- Gobbi, D. G., Comeau, R. M., Peters, T. M. Ultrasound probe tracking for real-time ultrasound/MRI overlay and visualization of brain shift. Int. Conf. Med. Image Comput. Comput. Assist. Interv (MICCAI) n. 920, 927 (1999).
- Ternifi, R. Ultrasound measurements of brain tissue pulsatility correlate with the volume of MRI white-matter hyperintensity. J. Cereb. Blood Flow. Metab. 34 (6), 942-944 (2014).
- Unsgaard, G. Neuronavigation by Intraoperative Three-dimensional Ultrasound: Initial Experience during Brain Tumor Resection. Neurosurgery. 50 (4), 804-812 (2002).
- Pfefferbaum, A. Postmortem MR imaging of formalin-fixed human brain. NeuroImage. 21 (4), 1585-1595 (2004).
- Schulz, G. Three-dimensional strain fields in human brain resulting from formalin fixation. J. Neurosci. Meth. 202 (1), 17-27 (2011).
- Ahrens, J., Geveci, B., Law, C. ParaView: An End-User Tool for Large Data Visualization. Visualization Handbook. , (2005).
- Cloutier, G. A multimodality vascular imaging phantom with fiducial markers visible in DSA, CTA, MRA, and ultrasound. Med. Phys. 31 (6), 1424-1433 (2004).
- Boni, E. A reconfigurable and programmable FPGA-based system for nonstandard ultrasound methods. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (7), 1378-1385 (2012).
- Bagolini, A. PECVD low stress silicon nitride analysis and optimization for the fabrication of CMUT devices. J. Micromech. Microeng. 25 (1), (2015).
- Savoia, A. Design and fabrication of a cMUT probe for ultrasound imaging of fingerprints. Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 1877-1880 (2010).
- Fenster, A., Downey, D. B. Three-dimensional ultrasound imaging. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2, 457-475 (2000).
- Matrone, G., Ramalli, A., Savoia, A. S., Tortoli, P., Magenes, G. High Frame-Rate, High Resolution Ultrasound Imaging with Multi-Line Transmission and Filtered-Delay Multiply And Sum Beamforming. IEEE Trans. Med. Imag. 36 (2), 478-486 (2017).
- Matrone, G., Savoia, A. S., Caliano, G., Magenes, G. Depth-of-field enhancement in Filtered-Delay Multiply and Sum beamformed images using Synthetic Aperture Focusing. Ultrasonics. 75, 216-225 (2017).
- Boni, E., Cellai, A., Ramalli, A., Tortoli, P. A high performance board for acquisition of 64-channel ultrasound RF data. Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 2067-2070 (2012).
- Matrone, G., Savoia, A. S., Caliano, G., Magenes, G. The Delay Multiply and Sum beamforming algorithm in medical ultrasound imaging. IEEE Trans. Med. Imag. 34, 940-949 (2015).
- Savoia, A. S. Improved lateral resolution and contrast in ultrasound imaging using a sidelobe masking technique. Proc. IEEE Int. Ultrasonics Symp. , 1682-1685 (2014).
- Gyöngy, G., Makra, A. Experimental validation of a convolution- based ultrasound image formation model using a planar arrangement of micrometer-scale scatterers. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 62 (6), 1211-1219 (2015).
- Shapoori, K., Sadler, J., Wydra, A., Malyarenko, E. V., Sinclair, A. N., Maev, R. G. An Ultrasonic-Adaptive Beamforming Method and Its Application for Trans-skull Imaging of Certain Types of Head Injuries; Part I: Transmission Mode. IEEE Trans. Biomed. Eng. 62 (5), 1253-1264 (2015).
- Salles, S., Liebgott, H., Basset, O., Cachard, C., Vray, D., Lavarello, R. Experimental evaluation of spectral-based quantitative ultrasound imaging using plane wave compounding. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 61 (11), 1824-1834 (2014).
- Alessandrini, M. A New Technique for the Estimation of Cardiac Motion in Echocardiography Based on Transverse Oscillations: A Preliminary Evaluation In Silico and a Feasibility Demonstration In Vivo. IEEE Trans. Med. Imag. 33 (5), 1148-1162 (2014).
- Ramalli, A., Basset, O., Cachard, C., Boni, E., Tortoli, P. Frequency-domain-based strain estimation and high-frame-rate imaging for quasi-static elastography. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 59 (4), 817-824 (2012).
- Markley, F. L., Cheng, Y., Crassidis, J. L., Oshman, Y. Averaging quaternions. J. Guid. Cont. Dyn. 30 (4), 1193-1197 (2007).
- Dorst, L., Fontijne, D., Mann, S. . Geometric Algebra for Computer Science. An Object-oriented Approach to Geometry. , (2007).
- Horn, B. K. P. Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions. J. Opt. Soc. Am. A. 4 (4), 629-642 (1987).
