טיפול נסיוני הערכת הביצועים של הגששים סאונד חדש מבוסס על טכנולוגיית CMUT ביישום כדי הדמיה מוחית
Summary
הפיתוח של הגששים אולטרסאונד (לנו) החדש מבוסס על טכנולוגיית קיבולי Micromachined אולטראסוניות מתמר (CMUT) דורש הערכה מציאותית מוקדם של יכולות הדמיה. אנו מתארים עבור ייבוא תמונות ארה ב והשוואה עם תמונות תהודה מגנטית, פרוטוקול נסיוני הדיר משתמש של ex-vivo שור במוח כמו מטרה הדמיה.
Abstract
האפשרות לבצע הערכה מוקדמת, הדיר של הדמיה ביצועים הוא מהותי בעיצוב, רגשים תהליך פיתוח חדש אולטראסאונד (לנו). במיוחד, ניתוח יותר מציאותי עם מטרות דימות ייחודית ליישום יכול להיות בעלת ערך רב מאוד להעריך את הביצועים הצפוי של הגששים בארה בתחום הקליני. פוטנציאלי שלהם, היישום.
פרוטוקול נסיוני הציג בעבודה זו תוכננה בכוונה לספק הליך הערכת ליישום עבור פיתח אותנו לחקור טיפוס מבוסס על טכנולוגיית קיבולי Micromachined אולטראסוניות מתמר (CMUT) ביחס הדמיה מוחית.
הפרוטוקול משלב את השימוש מוח שור קבוע בפורמלין כיעד הדמיה, המבטיח ריאליזם והן הדיר של ההליכים המתוארים ושל טכניקות neuronavigation שהושאל נוירוכירורגיה. החללית ארה ב מחובר למעשה תנועה מעקב המערכת אשר רוכשת את הצב נתונים ומאפשר את הסופרפוזיציה של ארה ב תמונות להפנות תהודה מגנטית (MR) תמונות של המוח. זה מספק אמצעי מומחים אנושי כדי לבצע הערכה איכותני חזותי של המכשיר בארה ב הדמיה ביצועים וכדי להשוות רכישות שנעשו עם הגששים שונים. יתר על כן, הפרוטוקול מסתמך על השימוש של מלא ופתוח למחקר ופיתוח מערכת עבור ארה ב ייבוא תמונות, קרי הסורק אולטרסאונד מתקדם לפתוח פלטפורמה (אולה-OP).
כתב היד מתאר בפירוט את המכשירים ואת הנהלים מעורב הפרוטוקול, בפרט כיול, ייבוא תמונות והרשמה של ארה ב ושל מר תמונות. התוצאות שהושג להוכיח את היעילות של פרוטוקול הכולל שהוצגו, אשר פתוחה לחלוטין (בגבולות מכשור מעורב), הדיר, והוא מכסה את כל סידרת פעילויות עיבוד של רכישת לתמונות בארה ב.
Introduction
השוק גדל והולך של סורקי אולטראסאונד קטן ונייד (ארה ב) מובילה להתפתחות של הגששים echographic חדש באיזה איזור של האות-מיזוג ו- beamforming אלקטרוניקה משולב בידית המכשיר, במיוחד עבור הדמיה תלת-ממד/4 יח 1. מתאים במיוחד כדי להשיג רמה גבוהה זו של שילוב טכנולוגיות Emerging כוללים Micromachined אולטראסוניות מתמרים (MUTs)2, מחלקה של מערכת אלקטרו-מכני מיקרו (MEMS) מתמרים מפוברק על הסיליקון. בפרט, MUTs קיבולי (CMUTs) סוף סוף הגיעו בשלות טכנולוגית שגורם להם אלטרנטיבה חוקית מתמרים פיזואלקטריים הבא הדור אולטראסאונד הדמיה מערכות3. CMUTs פונים מאוד עקב שלהם תאימות עם טכנולוגיות מיקרואלקטרוניקה, רוחב פס רחב – אשר מניב ברזולוציה גבוהה יותר – יעילות תרמית גבוהה ומעל הכל, רגישות גבוהה4. בהקשר של הפרויקט אניאק JU DeNeCoR (התקנים עבור NeuroControl ו- NeuroRehabilitation)5, CMUT הגששים מתבצעת מפותחת6 עבור ארה ב המוח הדמיה יישומים (לדוגמה: נוירוכירורגיה), שבו באיכות גבוהה תמונות דו-ממדי/תלת-ממד/4 D ו ייצוג מדויק של מבנה המוח נדרשים.
תהליך הפיתוח של הגששים ארה ב החדש, האפשרות של ביצוע הערכות מוקדמת של הדמיה ביצועים הוא מהותי. טכניקות הערכה טיפוסי לערב מדידת פרמטרים ספציפיים כגון רזולוציה וניגודיות, המבוסס על תמונות של מטוסי פאנטום מחקה רקמות עם מטרות מוטבע של הגיאומטריה הידוע, echogenicity. ניתוח יותר מציאותי עם מטרות דימות ייחודית ליישום יכול להיות יקר מאוד עבור הערכה מוקדמת של הביצועים הצפוי של ארה ב הגששים ביישום הפוטנציאליים שלהם לשדה הקליני ספציפי. מצד שני, הדיר מלאה של רכישות הוא יסוד בדיקה השוואתית של תצורות שונות לאורך זמן, דרישה זו ששולל ניסויים ויוו לגמרי.
מספר יצירות הספרות על טכניקות הדמיה אבחון הציע את השימוש שמחוץ דגימות בעלי חיים7, נגועה בסרטן המוח8או רקמות מחקה פאנטום9 עבור מטרות שונות10, אשר כוללים בדיקה של שיטות הדמיה, רישום אלגוריתמים, רצפים תהודה מגנטית (MR) או את ארה ב הקרן-הדפוס, וכתוצאה מכך איכות התמונה. כך למשל, בהקשר של הדמיה מוחית, לזבניק. et al. 7 להשתמש מוח כבשים פורמלין-קבוע כדי להעריך 3D מר רישום שיטה חדשה; באופן דומה, והילדים. et al. 11 חקר הליך הרישום של מר, מיקרוסקופ אור תמונות של מוח הקוף ינשוף קבוע. מוח אלכוהול (PVA) פנטום היה פותח ב9 , המשמש לביצוע רכישות תמונה עם מודאלים מרובים (כלומר מר, ארה ב, ו טומוגרפיה שחושב) כדי ליצור את הנתונים (dataset) תמונה משותפת12 לבדיקה של רישום, הדמיה אלגוריתמים.
באופן כללי, מחקרים אלה לאשר כי השימוש של יעד מציאותי עבור רכישות התמונה הוא אכן צעד חיוני במהלך פיתוח טכניקה הדמיה חדשה. זה מייצג שלב קריטי עוד יותר בעת עיצוב התקן הדמיה חדש, כמו CMUT אותנו המכשיר הציג במאמר זה, אשר עדיין בשלב שטנץ, זקוק לשחזור וחובק בדיקות לאורך זמן, עבור כוונון מדויק של כל עיצוב פרמטרים לפני מימוש הסופי שלה ובדיקת אפשרי ויוו יישומים (כמו13,14,15).
פרוטוקול הניסוי המתואר בעבודה זו תוכנן ובכך לספק חזקות, ליישום הדמיה הערכת הליך עבור ארה ב פיתח הגששים מבוסס על טכנולוגיית CMUT. כדי להבטיח ריאליזם והן הדיר, שור המוח (להשיג דרך שרשרת אספקת מזון מסחרי רגיל) קבוע בפורמלין נבחרו כמו הדמיה מטרות. ההליך קיבוע ערבויות שימור לטווח ארוך של מאפייני הרקמה תוך שמירה משביע רצון מורפולוגי וסגולותיהם ניראות, הן בארה ב והן מר הדמיה16,17.
הפרוטוקול עבור הערכת איכות התמונה ארה ב המתוארים כאן גם מיישמת תכונה שהושאל neuronavigation טכניקות המשמשות עבור נוירוכירורגיה15. בגישות כאלה, ארה ב הגששים מחוברים על ההצעה מעקב מערכת המספקת המיקום המרחבי ואת הכיוון נתונים בזמן אמת. בדרך זו, תמונות ארה ב רכשה במהלך פעילות כירורגית יכול להיות באופן אוטומטי רשום, דמיינו, להדרכה, סופרפוזיציה לתמונות מר pre-operatory של המוח של המטופל. לצורך הפרוטוקול שהוצגו, הסופרפוזיציה עם תמונות מר (אשר נחשבים תקן הזהב של הדמיה מוחית) הוא בעל ערך רב, היות זה מאפשר מומחים האדם להעריך באופן חזותי אשר מורפולוגי רקמות תכונות מוכר ארה ב ותמונות, סגן להיפך, כדי לזהות הנוכחות של הדמיה חפצים.
אפשרות להשוות תמונות רכשה עם הגששים בארה ב שונה הופך להיות מעניין יותר. פרוטוקול ניסיוני המוצג כולל את האפשרות להגדיר קבוצת התייחסות המרחבי מהווה עבור רכישות בארה ב, התמקדו האזורים נפח הכי עשיר בתכונות שזוהתה בדיקה חזותית ראשוני של מר תמונות. כלי חזותי משולב, שפותחה עבור Paraview קוד פתוח תוכנה מערכת18, מספק הדרכה למפעילי עבור התאמה כזו מהווה מראש במהלך שלבי רכישת התמונה בארה ב. ההליכים כיול הנדרש על-ידי הפרוטוקול, זה היסוד, כדי לצייד את כל דגימות היעד – ביולוגי או סינתטי – עם ציוני דרך מיקום מוגדר מראש מספקות הפניות מרחבית ברורה וחד משמעית. ציוני דרך כזה חייב להיות גלוי בתמונות הן בארה ב והן מר ונגיש פיזית למדידות שנעשו עם ההצעה מעקב המערכת. הרכיבים ציון שבחרת עבור הניסוי הם כדורים קטנים מזכוכית חלמיש, אשר נראות בתמונות הן בארה ב והן מר הפגינו את הספרות19 ומאושר על-ידי ראשוני סריקות US ו מר מתבצעות לפני הניסויים שהוצגו.
פרוטוקול שהוצג מסתמך על סאונד מתקדמות לפתוח פלטפורמה (אולה-OP)20, מלא ופתוח למחקר, פיתוח מערכת עבורנו ייבוא תמונות, אשר מציע הרבה ניסיוני רחב יותר אפשרויות מאשר מסחרית זמינים סורקים, משמשת בסיס על ההערכה של הגששים בארה ב שונה.
ראשית, כלי הנגינה המשמשים עבודה זו מתוארים, עם התייחסות מיוחדת החללית CMUT שעוצבו לאחרונה. פרוטוקול נסיוני הוא הקדמהduced בפירוט, עם תיאור מעמיק של כל ההליכים מעורב, משלב התכנון הראשוני כיול המערכת, כדי שלאחר עיבוד של התמונה רכישת. לבסוף שהושג התמונות מוצגות, התוצאות הנזכרים, יחד עם רמזים להתפתחויות עתידיות של עבודה זו.
מכשור
CMUT בדיקה אב טיפוס
הניסויים בוצעו באמצעות פיתח 256-אלמנט CMUT מערך ליניארי אבטיפוס, תוכנן מפוברק, ארוז ב Acoustoelectronics מעבדה (ACULAB) של אוניברסיטת רומא טרה (רומא, איטליה), שימוש (תהליך ייצור הפוך CMUT RFP)4. RFP מיקרו-מלאכותית, אריזת טכנולוגיה, במיוחד הגה למימוש MEMS מתמרים עבורנו הדמיה יישומים, לפיה מיקרו CMUT מפוברק על הסיליקון הבא “הפוך” הגישה21. לעומת טכנולוגיות ייצור אחרות CMUT, RFP מניב ביצועים משופרים הדמיה בשל אחידות גבוהה של הגיאומטריה התאים CMUT מעל המערך כולו, והשימוש בחומרים המתקפלות מהונדסים בחבילה בראש המכשיר. תכונה חשובה של RFP היא כי הידיות interconnection חשמל ממוקמים על החלק האחורי של ה מת CMUT, אשר מקלה על 3D-השילוב של מערכים דו-מימדית ואלקטרוניקה רב ערוצית החזיתי.
המערך CMUT 256-אלמנט תוכנן לפעול בלהקה בתדירות ממורכז בתדר 7.5 מגה-הרץ. גובה הצליל אלמנט של מיקרומטר 200 נבחרה עבור המערך וכתוצאה מכך רוחב שדה-of-view המרבי של 51.2 מ מ. הגובה של רכיבי המערך CMUT יחיד הוגדרה כדי להשיג ביצועים מתאימים מבחינת רזולוציה לרוחב ויכולת החדירה. גובה אלמנט מערך של 5 מ מ נבחר על מנת לקבל רוחב קרן-3 dB של 0.1 מ מ ועומק-3 dB של המוקד של 1.8 מ- 7.5 מגה-הרץ, כאשר תיקון המוקד העלאת בעומק של 18 מ מ בעזרת עדשת אקוסטית. לרכיבי המערך מיקרומטר ברוחב 195 התקבלו על-ידי סידור וחיבור חשמלית בתאים מקבילים 344 מעגלית CMUT, בעקבות פריסת משושה. כתוצאה מכך, וכתוצאה מכך 5 מיקרומטר רכיב אל-רכיב המרחק, כלומר kerf, תואם את הפרדת ממברנה-כדי-הממברנה. ייצוג סכמטי של המבנה של מערך CMUT הוא דיווח באיור1.
איור 1: מבנה מערך CMUT. ייצוג סכמטי של המבנה של מערך CMUT: מערך אלמנטים מורכב של תאים אחדים קשורים מקבילים (א), הפריסה של CMUT מיקרו (ב); חתך רוחב של תא CMUT (ג). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
CMUT מיקרו-מלאכותית פרמטרים, כלומר לרוחב וממדים אנכי של צלחת, אלקטרודות, הוגדרו באמצעות סימולציות מידול אלמנט סופי (FEM) עם המטרה של השגת מבצע טבילה בפס רחב, המאופיינת על ידי תגובת תדר ממורכז 7.5 מגה-הרץ, עם 100%-6 dB דו-כיווני החלקי רוחב פס. הגובה של החלל, כלומר הפער, הוגדרה להשגת מתח התמוטטות של 260 V כדי למקסם את הרגישות דו-כיווני, מאת ממתח CMUT ב-70% של מתח ‘ קריסת ‘4, בהתחשב מתח האות עירור המרבי 80 של V. טבלה 1 מסכמת את הפרמטרים גיאומטרי הראשי של microfabricated CMUT.
| פרמטרי תכנון מערך CMUT | |
| פרמטר | ערך |
| מערך | |
| מספר אלמנטים | 256 |
| רכיב המגרש | מיקרומטר 200 |
| אלמנט האורך (גובה) | 5 מ מ |
| המיקוד קבועה | 15 מ מ |
| מיקרו CMUT | |
| קוטר תא | 50 מיקרומטר |
| קוטר אלקטרודה | מיקרומטר 34 |
| מרחק לרוחב-לתא | 7.5 מיקרומטר |
| צלחת עובי | 2.5 מיקרומטר |
| גובה הפער | 0.25 מיקרומטר |
טבלה 1. פרמטרים בדיקה CMUT. פרמטרים גיאומטריים של בדיקה לינארית-מערך CMUT, CMUT תא מיקרו.
בתהליך האריזה בשימוש להשתלב במערך CMUT בראש המכשיר מתואר הפניה4. העדשה אקוסטית היה מפוברק באמצעות גומי סיליקון טמפרטורת החדר גופרית (RTV) מסטול עם ננו אבקות מתכת-תחמוצת כדי להתאים את עכבה אקוסטית של מים ולהימנע השתקפויות כדין ממשק22. המתחם שנוצר התאפיינה צפיפות של 1280 ק ג/מ’3 ומהירות של הצליל של 1100 מטר לשנייה. רדיוס עקמומיות של 7 מ מ נבחרה עבור העדשה גלילי, המוביל אל מוקד גיאומטרי של 18 מ מ, עובי מרבי של-0.5 מ מ מעל פני השטח מתמר. תמונה של הראש בדיקה CMUT מוצג איור 2(א).
איור 2: בדיקה CMUT. ראש המכשיר CMUT מפותחת, כולל המערך ליניארי של מתמרים, עדשה אקוסטית (א), והבדיקה CMUT מלא עם מחבר (b). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
בראש המכשיר CMUT היה בשילוב של הידית בדיקה המכילות אלקטרוניקה החזיתי אנלוגי רב-ערוצי הקבלה ואת כבל multipolar בקשר עם הסורק בארה ב. המעגל אלקטרונית ערוץ אחד הוא גבוה קלט-עכבה dB 9-רווח מתח מגבר המספק חשמל הנוכחי הצורך לנהוג על עכבה כבל. האלקטרוניקה רב-ערוצי, תיאר הפניה 4, מבוסס על טופולוגיה מעגל של מקלט רעש נמוכה במיוחד-נמוך-כוח כולל מתג משולב עבור בהכפלה אות שידור/קליטה. אלקטרוניקה החזיתי הזרם והמתח הסטייה את CMUT שנוצר על ידי יחידת אספקת כוח מותאם אישית, להאכיל את המכשיר דרך הכבל multipolar. החללית מלאה מוצג איור 2(b).
פיזואלקטריים הגששים בארה ב
לשם השוואה איכותית של התמונות שהושג עם החללית CMUTלעיל, נכללו שני רגשים ארה ב זמין מסחרית פיזואלקטריים בניסויים. הראשון הוא בדיקה לינארית-array עם 192 transducing אלמנטים, זריקה מיקרומטר 245, ורוחב פס החלקי של 110% מרוכזת בשעה 8 מגה-הרץ. המכשיר הזה שימש כדי לרכוש תמונות B-מצב 2D. המכשיר השני הוא בדיקה עבור הדמיה תלת-ממדית עם מערך ליניארי swept מכנית של 180 transducing רכיבים, עם זריקה מיקרומטר 245 ורוחב פס החלקי של 100% ממורכז בתדר 8.5 מגה-הרץ. מנוע stepper ממוקמים בתוך החללית הדיור מאפשר גורף את המערך ליניארי לרכוש מספר מישורים, אשר יכול לשמש כדי לשחזר תמונה תלת-ממדית של אמצעי האחסון שנסרק23.
אולה-OP מערכת
רכישת תמונות ארה ב בוצע על ידי העסקת את אולה-OP מערכת20, אשר היא מלאה ופתוח בארה ב מחקר ופיתוח מערכת, תוכנן והבנתי במעבדה מיקרואלקטרוניקה מערכות עיצוב של מאוניברסיטת פירנצה, איטליה. אולה-OP המערכת שולטת, שניהם שידור (טי אקס) ומחובר הקבלה (RX), עד 64 ערוצים עצמאיים באמצעות מתג מטריצה בדיקה בארה ב עד 192 פיזואלקטריים או CMUT מתמרים. מערכת ארכיטקטורה תכונות שני עיבוד ראשי הלוחות, של לוח אנלוגי (אלב) ושניהם דיגיטלי לוח (DB), הכיל בארון תקשורת, אשר הושלם על ידי לוח החשמל לוח גב-המטוס המכיל המחבר את המכשיר ואת כל פנימי ניתוב רכיבים. AB מכיל חזיתי החללית מתמרים, בפרט של רכיבים אלקטרוניים עבור מיזוג אנלוגי הערוצים 64 ואת המטריצה מתג לתכנות הממפה באופן דינמי את הערוצים TX-RX אל מתמרים. DB אחראי על beamforming בזמן אמת, סינתזה של אותות שידור ועיבוד של RX מהדהד להפקת הפלט הרצוי (למשל תמונות B-מצב או הבדיקות דופלר). ראוי להדגיש כי מערכת אולה-OP להגדרה במלואה, ומכאן ניתן האות ב- TX waveform שרירותי כלשהו בתוך הפס המערכת (למשל שלוש רמות פולסים, סינוס-התפרצויות, ציוץ ציפורים, קודי האפמן, וכו ‘) עם מקסימום משרעת של 180 Vpp; בנוסף, ניתן לתכנת את האסטרטגיה beamforming על פי הדפוסים התמקדות האחרון (למשל ממוקד גל, מולטי-שורת-שידור, גל מישורי, מתפצל גלים, קורות עקיפה מוגבל, וכו ‘)24,25 . ברמת החומרה, משימות אלה משותפים בין חמש שדה לתכנות שער מערכים (FPGAs), מעבד אותות דיגיטלי (DSP) אחד. עם נסחף מכנית 3D הדמיה הגששים, כגון זה המתואר לעיל, מערכת אולה-OP שולט גם המנוע stepper שבתוך המכשיר, לצורך רכישת מסגרות 2D בודדות במיקום כל המערך מתמר מסונכרן.
אולה-OP המערכת יכול להיות מוגדר מחדש בזמן ריצה ומותאמים הגששים בארה ב שונה. זה מתקשר דרך ערוץ USB 2.0 עם מחשב מארח, מאובזר עם כלי תוכנה ספציפית. האחרון יש ממשק גרפי להגדרה מספק בזמן אמת להדמיה של ארה ב תמונות, שיחזר מצבים שונים; עם נפחי הגששים, למשל, שתי תמונות B-מצב של מטוסים בניצב באמצעי האחסון שנסרק ניתן להציג בזמן אמת.
היתרון העיקרי של מערכת אולה-OP למטרות של הפרוטוקול המתואר הוא כי היא מאפשרת כוונון קל של הפרמטרים TX-RX והוא מציע גישה מלאה אות הנתונים שנאספו בכל שלב עיבוד שרשרת26, גם עושה את זה אפשרי כדי לבדוק שיטות הדמיה חדשה ואת beamforming טכניקות27,28,29,30,31,32,33.
מערכת מעקב תנועה
רשומה בארה ב בדיקה עמדה במהלך ייבוא תמונות, תנועה אופטי מערכת מעקב מועסקים34. המערכת מבוססת על יחידת חיישן הפולטת אור אינפרא אדום באמצעות שני illuminators (אור (נוריות) דיודות פולטות) ומשתמש שני מקלטי (קרי עדשה, עם תשלום מצמידים מכשיר (CCD)) כדי לזהות את האור בא לידי ביטוי מספר פסיבי מטרה ספציפית סמנים מסודרים בצורות נוקשה מוגדרים מראש. מידע על אור המשתקף ואז יעובד על-ידי ה-CPU ב- board כדי לחשב נתונים מיקום וכיוון, אשר ניתן להעביר מחשב מארח מחובר דרך USB 2.0. באותו הקישור יכול לשמש כדי לקבוע את התצורה של היחידה חיישן.
יחידת חיישן ספינות יחד עם סט של כלים, כל אחד ניחן ארבעה סמנים רפלקטיביים מסודרים בתצורה גיאומטרית נוקשה. ההצעה מעקב המערכת באפשרותך לעקוב אחר עד שישה כלים נוקשה שונות בו זמנית, בתדר עבודה של-20 Hz. שני כלים אלה שימשו ניסויים אלה: כלי המצביע, המאפשר רכישת התנוחה התלת-ממד נגע את קצהו, וכן כלי מצויד קלאמפ, כי ניתן לחבר את המכשיר בארה ב תחת מבחן (ראה איור 14).
בצד התוכנה, כולל המעקב תנועה ברמה נמוכה סדרתי ממשק תכנות יישומים (API) עבור שתי יחידות נתונים ובקרה הרכישה, שניתן לגשת אליהם באמצעות כבל USB. כברירת מחדל, מיקום וכיוונים מוחזרים כניסה מרובת פריטים, כלומר ערך אחד בכל כל כלי במעקב. כל ערך מכיל עמדה תלת-ממד (x, y, z) מבוטא במ מ אוריינטציה (q0, qx, qy, q-z) המבוטא של קווטרניונים. המערכת גם מגיע עם ארגז של כלי תוכנה ברמה גבוהה יותר, אשר כוללת כלי מעקב גרפי להמחיש ומדידת בזמן אמת את העמדות/כיוונים של כלים מרובים בתוך שדה הראייה של היחידה חיישן.
רכיבי המערכת סקירה, אינטגרציה ותוכנות
הדיאגרמה באיור 3 מסכם את המכשור אימצה עבור הפרוטוקול, גם המתאר זרם הנתונים זורם על פני המערכות.
איור 3: דיאגרמת בלוק של השילוב ההתקנה ומערכת החומרה כל. החללית ארה ב מחובר למערכת אולה-OP אשר מתקשר באמצעות כבל USB עם המחברת עבור רכישת התמונה בארה ב. במקביל, המחברת מקושרת גם דרך ה-USB ההצעה מעקב המערכת, עבור רכישת נתוני מיקום, ו באמצעות Ethernet לתחנת העבודה, לעיבוד נתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
מלבד את הגששים בארה ב, הגשש תנועה, המערכת אולה-OP, אשר תוארו לעיל, ההגדרה כוללת גם שני מחשבים, כלומר מחשב נייד ותחנת עבודה. הראשון הוא הראשי חזיתי אינסטרומנטציה, קבלת וסינכרון של זרמי נתונים של נכנסות הראשי שני: הדימויים בארה ב מגיע למערכת אולה-OP ו 3D מיצוב נתונים ברכיב המעקב תנועה. הוא גם מספק משוב חזותי למפעיל לתמונות להיות רכשה. תחנת העבודה יש קיבולת כוח ואחסון חישובית גבוהה יותר באופן משמעותי. זה מספק תמיכה העורפי שלאחר עיבוד התמונה ואת מאגר datasets הדמיה משולב. תחנת העבודה משמש גםעבור הפריט החזותי של ארה ב ושל מר תמונות, כולל אפשרות סימולטני לוויזואליזציה תלת-ממדית של תמונות ומשולבות רשומים.
דרישה קריטי עבור הניסויים רכישת התמונה הוא הסינכרון של שני הנחלים הנתונים הראשי. ההצעה מעקב ומערכות אולה-OP הם עצמאיים מכשירים שלא תומכים עדיין של סינכרון מפורשת של פעילויות. בגלל זה, נתוני מיקום ונתונים תמונה בארה ב צריך להיות משולב כראוי כדי לזהות את המיקום הנכון 3D של המכשיר בארה בזמן כל פרוסה תמונה נרכשה. למטרה זו, יישום רישום ספציפי פותחה עבור הקלטה של הוספת חותמת זמן בזמן אמת את הנתונים שסופקו על ידי ההצעה מעקב המערכת, על-ידי שינוי רכיב תוכנה C++ זה נכלל, במקרה זה, ברכיב המעקב התנועה עצמה. בדרך כלל, מערכות עקיבת תנועה כוללים API ברמה נמוכה המאפשר לכידת נתונים בזמן אמת ותמלול אותם לקובץ.
שיטת סינכרון המאומץ עובד כדלקמן. כל רשומה בקובץ המופק על-ידי היישום רישום מהסוללות מומר עם חותמת זמן בתבנית “yyyy-MM-ddThh:mm:ss.kkk”, שבו: y = שנה, M = חודש, d = יום, h = שעה, m = דקה, s = k השניה, = אלפית שנייה. התוכנה מבוסס מחשב אולה-OP (C++ ו MATLAB שפות תכנות) מחשבת את ההתחלה והסיום זמן של כל רצף רכישת תמונות ומאחסן מידע זה בכל תמונה בתבנית .vtk. לספק הפניה טמפורלית נפוצות במהלך הניסויים, מתבצעות בשני הליכים תוכנה לעיל במחשב חזיתי באיור3. חותמות זמן המופק בדרך זו משמשים לאחר מכן על ידי ההליכים תוכנת עיבוד דפוס, המייצרים את ערכת הנתונים הסופי (ראה פרוטוקול, סעיף 8).
רכיב תוכנה ספציפית אחר הבנתי ולהפעיל בתחנת העבודה לספק משוב בזמן-אמת למפעיל, על-ידי הנוגעות הנוכחי בארה ב בדיקה מיקום לתמונות מר ו, בפרט, כדי להגדיר את תנוחות מוגדרים מראש. רוטינה בצד השרת תוכנת פייתון מעבד את קובץ יומן הרישום של הגשש תנועה, מתרגמת הנוכחי בארה ב בדיקה עמדה לתוך צורה גיאומטרית, ושולח הנתונים לשרת Paraview. לקוח Paraview מתחבר באותו שרת Paraview ועל מציג בזמן אמת את המיקום של הצורה, נקודות המגע המוצגים על תמונת מר וכדי צורות גיאומטריות נוסף המתאר את תנוחות מוגדרים מראש. דוגמה של הפריט החזותי בזמן אמת וכתוצאה מכך מוצג באיור17.
Protocol
Representative Results
Discussion
יצירות אחדות הוצגו בספרות המתארת את הטכניקות דומים או קשורים בפרוטוקול שהוצגו. טכניקות אלה מבוססים על השימוש של יעדים, כולל חיים קבוע או המוח גווייה, אבל הם בעיקר מתהוות עבור בדיקות של שיטות רישום דיגיטלי מסוגים שונים.
הפרוטוקול המתואר כאן, עם זאת, יש מטרה ספציפית של בדיקות ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכו באופן חלקי על ידי ממשלות הלאומי והאיחוד האירופי באמצעות הפרויקט אניאק JU DeNeCoR תחת גרנט מספר הסכם 324257. המחברים רוצה להודות Magenes ג’ובאני פרופסור, פרופסור פיירו Tortoli, ד ר Giosuè Caliano על תמיכתם היקר, פיקוח, להערות תובנה שהרשה לזה לעבוד. אנו אסירי תודה גם פרופסור אג’ידיו ד’אנג’לו וחבורתו (עותק מוסתר במעבדה), יחד עם דל’אנג’לו Istituto Neurologico ג Mondino, על מתן ההצעה מעקב ומכשור מר, וכדי ג’אנקרלו Germani לרכישות מר. לבסוף, ברצוננו להודות ד ר Nicoletta Caramia, ד ר אלסנדרו Dallai, גב’ ברברה Mauti לתמיכה טכנית שלהם יקר, מר וולטר Volpi למתן את המוח שור.
Materials
| 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).
