En eksperimentell protokoll for taksere arbeidsinnsatsen av nye ultralyd sonder basert på CMUT teknologi i programmet hjernen bildebehandling
Summary
Utviklingen av nye ultralyd (oss)-sonder basert på kapasitive Micromachined Ultrasonic svinger (CMUT) teknologien krever en tidlig realistisk vurdering av imaging evner. Vi beskriver en repeterbare eksperimentelle protokoll for amerikanske bildeopptak og sammenligning med magnetisk resonans bilder, bruke en ex vivo bovin hjernen som en tenkelig mål.
Abstract
Muligheten til å utføre en tidlig og repeterbare vurdering av imaging ytelse er grunnleggende i design og utviklingsprosessen av nye ultralyd (US) sonder. Spesielt kan en mer realistisk analyse med programspesifikke tenkelig mål være svært verdifullt å vurdere den forventede ytelsen for amerikanske sonder i deres potensielle klinisk anvendelse.
Eksperimentelle protokollen presentert i dette arbeidet var bevisst utformet for å gi en programspesifikk prosedyre for nyutviklet oss undersøke prototyper basert på kapasitive Micromachined Ultrasonic svinger (CMUT) teknologien i forhold til hjernen imaging.
Protokollen kombinerer bruk av bovin hjernen fast i formalin tenkelig målet, som sikrer både realisme og repeterbarhet beskrevet prosedyrer og neuronavigation teknikker lånt fra nevrokirurgi. Amerikanske sonden er faktisk koblet til en bevegelse sporingssystem som kjøper posisjonsdata og aktiverer superposisjon av amerikanske bilder referanse magnetisk resonans (MR) bilder av hjernen. Dette gir et middel for menneskelig eksperter utfører en visuell kvalitativ vurdering av amerikanske sonden imaging ytelse og sammenligne oppkjøp gjort med forskjellige sonder. Videre avhengig protokollen bruken av et komplett og åpent forskning og utvikling system for US bildeopptak, dvs. ultralyd avanserte åpne plattformen (ULA-OP) skanneren.
Manuskriptet beskriver i detalj de instrumenter og prosedyrer som er involvert i protokollen, spesielt for kalibrering, bildeopptak og registrering av USA og MR bilder. Innhentet resultatene bevise effektiviteten av generelle protokollen presentert, som er helt åpen (innenfor rammene av instrumentering involvert), gjentas, og dekker hele settet og bearbeidingen aktiviteter for amerikanske bilder.
Introduction
Økende markedet for liten og bærbar ultralyd (USA) skannere fører til utvikling av nye echographic sonder i hvilken del av signal-condition og beamforming elektronikk er integrert i sonde håndtaket, spesielt for 3D / 4D bildebehandling 1. Emerging technologies spesielt egnet for å oppnå dette høy grad av integrering inkluderer Micromachined Ultrasonic transdusere (MUTs)2, en klasse av mikro Elektromekanisk System (MEMS) transdusere laget på silisium. Spesielt har kapasitiv MUTs (CMUTs) endelig nådd en teknologisk modenhet som gjør dem et gyldig alternativ til Piezoelektriske transdusere for neste generasjon ultralyd imaging systems3. CMUTs er meget attraktivt på grunn av sin kompatibilitet med mikroelektronikk teknologi, stor båndbredde – som gir en høyere bildeoppløsning – høy termisk effektivitet og, fremfor alt, høy følsomhet4. I forbindelse med ENIAC JU prosjektet DeNeCoR (enheter for NeuroControl og NeuroRehabilitation)5, CMUT prober blir utviklet6 for amerikanske hjernen imaging programmer (f.eks nevrokirurgi), hvor høy kvalitet 2D/3D/4 D-bilder og nøyaktig gjengivelse av hjernen strukturer er nødvendig.
I utviklingsprosessen av nye amerikanske sonder er muligheten til å utføre tidlig vurderinger Imaging ytelse grunnleggende. Typisk vurderings-teknikker involvere måle bestemte parametere som oppløsning og kontrast, basert på bilder av vev-mimicking fantomer med innebygde mål kjent geometri og echogenicity. Mer realistisk analyse med programspesifikke tenkelig mål kan være ekstremt verdifullt for en tidlig vurdering av den forventede ytelsen for amerikanske sonder i potensielle programmet til et bestemt klinisk felt. På den annen side, den komplette repeatability av oppkjøp er grunnleggende for sammenlignende testing av ulike konfigurasjoner over tid, og dette kravet utelukker i vivo eksperimenter helt.
Flere arbeider i litteraturen om diagnostic imaging teknikker foreslått bruk av ex vivo dyr prøver7, cadaver hjerner8eller vev mimicking fantomer9 for ulike formål10, som omfatter den testing av imaging metoder, registrering algoritmer, magnetisk resonans (MR) sekvenser eller amerikanske bjelke-mønsteret og resulterer bildekvalitet. For eksempel i forbindelse med hjernen bildebehandling, Lazebnik et al. 7 brukes formalin-fast sauer hjerne til å evaluere en ny 3D MR registrering metode; tilsvarende Choe et al. 11 undersøkt en prosedyre for registrering av MR og * lys bilder av en fast ugle monkey hjernen. Polyvinylalkohol (PVA) hjerne phantom ble utviklet i9 og brukes til å utføre flere bilde oppkjøp (i.e. MR, USA, og beregnet tomografi) for å generere en delt bilde dataset12 for testing av registrering og tenkelig algoritmer.
Samlet bekrefter disse studier at bruk av et realistisk mål for bilde oppkjøp er virkelig et viktig skritt i utviklingen av en ny tenkelig teknikk. Dette representerer en enda mer kritisk fase når du utformer en ny bildegjengivelsesenhet, som CMUT oss sonde i dette papiret, som er i en prototyping fase og trenger omfattende og reproduserbar testing over tid, for en nøyaktig tuning av alle design parametere før den endelige realisering og mulig validering i i vivo programmer (som13,14,15).
Eksperimentell protokollen beskrevet i dette arbeidet er dermed utviklet for å gi en robust, program-spesifikke tenkelig vurdering prosedyre for nyutviklet amerikanske sonder basert på CMUT-teknologi. For å sikre både realisme og repeterbarhet, storfe valgt hjernen (fra standard mat-kommersielle forsyningskjeden) fast i formalin imaging mål. Fiksering fremgangsmåten garanterer langtidsoppbevaring av vevet egenskaper samtidig beholde tilfredsstillende morfologiske egenskaper og synlighet egenskaper i både USA og MR imaging16,17.
Protokollen for vurdering av amerikanske bildekvalitet beskrevet her også implementerer en funksjon lånt fra neuronavigation teknikker for nevrokirurgi15. I slike tilnærminger koblet amerikanske sonder til en bevegelse sporingssystem som gir romlige posisjon og retning data i sanntid. På denne måten kan amerikanske bilder ervervet under kirurgisk aktiviteter automatisk registrert og visualisert, for veiledning, i superposisjon pre-operatory MR-bilder av pasientens hjernen. I forbindelse med presentert protokollen, superposisjon med MR bilder (som anses som gullstandarden i hjernen imaging) er av stor verdi, siden det gir menneskelige eksperter å vurdere visuelt som morfologiske og vev funksjoner er gjenkjennelig i den amerikanske bilder, og vice versa, gjenkjenner forekomsten Imaging gjenstander.
Muligheten til å sammenligne bilder kjøpt med forskjellige amerikanske sonder blir enda mer interessant. Eksperimentell protokollen presentert inkluderer muligheten til å definere et sett med romlig referanse oppstiller for amerikanske oppkjøp, fokusert på de mest funksjonsrike volum regionene i en foreløpig visuell inspeksjon av MR bilder. En integrert visuelle verktøyet, utviklet for Paraview åpen kildekode programvare system18, gir veiledning til operatører for samsvarende slik forhåndsdefinerte positurer amerikanske bilde oppkjøpet faser. Den kalibrering prosedyrer krever protokollen, er det grunnleggende å utstyre alle mål prøvene – enten biologisk eller syntetiske – med forhåndsdefinerte posisjon landemerker som entydig romlige refererer. Slike landemerker må være synlig i både USA og MR bilder og fysisk tilgjengelig mål gjøres med motion sporingssystem. De valgte landemerke elementene for eksperimentet er små kuler av Flint glass, som synlighet i både USA og MR bilder ble demonstrert i litteratur19 og bekreftet av foreløpig USA og MR skanninger utført før presentert eksperimenter.
Protokollen presentert stoler på ultralyd avanserte åpne plattformen (ULA-OP)20, et komplett og åpent forskning og utviklingssystemet for oss bilde oppkjøpet, som gir mye større eksperimentelle muligheter enn kommersielt tilgjengelig skannere og fungerer som et felles grunnlag for vurdering av ulike amerikanske sonder.
Først er instrumentene som er brukt i dette arbeidet beskrevet, med spesiell henvisning til nydesignede CMUT sonden. Eksperimentell protokollen er intropå bakgrunn av et i detalj, med en grundig beskrivelse av alle prosedyrene som er involvert, fra innledende utforming til systemet kalibrering, til bildeopptak og etterbehandling. Endelig fått bildene blir presentert og resultatene er omtalt, sammen med hint fremtidig utvikling av dette arbeidet.
Instrumentering
CMUT sonde prototype
Forsøkene ble utført med en nyutviklet 256-element CMUT lineær array prototype, utviklet fabrikkert og pakket på Acoustoelectronics Laboratory (ACULAB) av Roma Tre universitet (Roma), bruker CMUT omvendt fabrikasjon prosessen ( RFP)4. Emballasje teknologi, spesielt utviklet for realisering av MEMS transdusere for oss bildebehandlingsprogrammer, der CMUT mikrostruktur er fabrikkert på silisium etter en “opp-ned” nærme21RFP er en microfabrication. Sammenlignet med andre CMUT fabrikasjon teknologier gir RFP tenkelig Resultatforbedringen skyldes høy sıtt CMUT cellene geometri over det hel oppstille og bruk av akustisk utviklet materialer i sonde hodet pakken. En viktig funksjon i RFP er at elektrisk samtrafikk putene er plassert på den bakre delen av CMUT dør, som letter 3D-integrering av 2D matriser og front-end flerkanals elektronikk.
Matrise med CMUT på 256-element ble designet til å operere i en frekvensbånd sentrert på 7,5 MHz. En element pitch på 200 µm ble valgt for array som resulterer i en felt-of-view maksimumsbredden 51,2 mm. Høyden på enkelt CMUT matriseelementene ble definert for å oppnå egnet ytelse lateral oppløsning og gjennomtrenging evne. En 5 mm matrise element høyde ble valgt for å oppnå en-3 dB stråle bredde på 0,1 mm og en-3 dB dybde av fokus på 1,8 mm på 7,5 MHz, når bestemmer høyden fokus i en dybde på 18 mm med en akustisk linse. 195 µm hele matriseelementer ble oppnådd ved å ordne og elektrisk tilkobling i parallell 344 sirkulære CMUT celler, etter et Sekskantet oppsett. Derfor 5 µm element til element distansen, i.e. kerf, samsvarer med membran-til-membran separasjon. En skjematisk fremstilling av en CMUT-matrise rapporteres i figur 1.
Figur 1: CMUT matrise struktur. Skjematisk fremstilling av strukturen til et CMUT utvalg: array elementer består av flere celler koblet i parallell (a), utformingen av den CMUT mikrostruktur (b); tverrsnitt av en CMUT celle (c). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Den CMUT microfabrication parametere, dvs sideveis og loddrett dimensjoner av platen og elektroder, ble definert med begrenset Element modellering (FEM) simuleringer med sikte på å oppnå en bredbånd nedsenking operasjon, preget av en frekvensrespons sentrert på 7,5 MHz og en 100%-6 dB toveis brøk båndbredde. Høyden på hulrom, dvs gapet, ble definert for å oppnå en kollaps spenning på 260 V å maksimere toveis sensitivitet, ved biasing CMUT på 70% av kollaps spenning4, vurderer en 80 V maksimal eksitasjon signal spenning. Tabell 1 oppsummerer de viktigste geometriske parametrene til microfabricated CMUT.
| CMUT matrise Design parametere | |
| Parameteren | Verdi |
| Matrise | |
| Antall elementer | 256 |
| Elementet pitch | jektet 200 µm bakover |
| Elementet lengde (høyde) | 5 mm |
| Fast høyde fokus | 15 mm |
| CMUT mikrostruktur | |
| Cellen diameter | 50 µm |
| Elektroden diameter | 34 µm |
| Celle til celle sideavstand | 7.5 µm |
| Plate tykkelse | 2,5 µm |
| Gapet høyde | 0,25 µm |
Tabell 1. CMUT sonde parametere. Geometriske parametrene CMUT lineær-array sonde og CMUT celle mikrostruktur.
Pakkeprosessen brukes til å integrere CMUT matrisen i en sonde hodet er beskrevet i referanse4. Akustisk linsen var fabrikasjon benytter en romtemperatur vulkanisert (RTV) silikongummi dopet med metal oxide nanopowders å matche akustisk impedans vann og unngå falske refleksjoner grensesnitt22. Den resulterende sammensatt var preget av en tetthet 1280 kg/m3 og en hastighet på 1100 m/s. En 7 mm kurvatur radius ble valgt for sylindriske linsen, fører til geometriske fokus på 18 mm og maksimum tykkelse på ca 0,5 mm over svingeren overflaten. Et bilde av CMUT sonde hodet er vist i figur 2(a).
Figur 2: CMUT sonde. Leder for utviklet CMUT proben, herunder lineær rekke transduktorer og akustisk linse (a), og full CMUT sonde med kontakten (b). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
CMUT sonde hodet var koblet til sonde håndtaket som inneholder flerkanals resepsjonen analog front-end elektronikk og en multipolar kabel for tilkobling til amerikanske skanneren. Enkeltkanals elektronisk krets er en høy input impedans 9 dB-gevinst spenning forsterker som gir elektrisk gjeldende nødvendig å kjøre kabel impedansen. Flerkanals elektronikk, beskrevet i referanse 4, er basert på en krets topologi inkludert en ultra-lav-effekt lav støy-mottaker og en integrert svitsj for tosidig utskrift overføre/motta signalet. Strømforsyningen front-end elektronikk og CMUT bias spenning er generert av en tilpasset strømforsyningsenheten og matet til sonden gjennom multipolar kabelen. Komplett sonden er vist i figur 2(b).
Piezoelektriske amerikanske sonder
For kvalitativ sammenligning av bilder innhentet med CMUT sondeovenfor, ble to kommersielt tilgjengelig piezoelectric amerikanske sonder inkludert i forsøkene. Den første er en lineær-array sonde med 192 transducing elementer, en 245 µm pitch og en 110% brøk båndbredde sentrert på 8 MHz. Denne sonde ble brukt til å erverve 2D B-bilder. Andre sonden er en sonde for 3D-bildebehandling med en mekanisk feiet lineær rekke 180 transducing elementer, med en 245 µm pitch og en 100% brøk båndbredde sentrert på 8,5 MHz. En stepper motor plassert inne sonden boliger kan feiende lineær array å erverve flere fly, som kan brukes til å rekonstruere et 3D-bilde av de skannede volum23.
ULA-OP systemet
Oppkjøpet av amerikanske bilder ble utført ved hjelp av ULA-OP systemet20, som er en komplett og åpent USA forskning og utvikling systemet, designet og realisert ved mikroelektronikk systemer Design Universitetet i Firenze, Italia. ULA-OP systemet kan styre, både i sending (TX) og resepsjonen (RX), til 64 uavhengige kanaler koblet gjennom en bryter matrise til en amerikansk sonde med opptil 192 piezoelectric eller CMUT transdusere. Systemet arkitektur har to viktigste behandlingen styrene, en Analog styret (AB) og en Digital styret (DB), begge i et rack, som utføres av en strømforsyning bord og en tilbake-plane board som inneholder sonde kontakten og alle intern ruting komponenter. AB inneholder frontprogram for sonden måleomformerne, spesielt elektroniske komponenter for analoge condition av 64 kanaler og programmerbare bryteren matrisen som tilordner dynamisk TX-RX kanalene til måleomformerne. DB er ansvarlig for sanntids beamforming, ekko syntetisere TX signaler og behandling RX for å produsere ønsket utdataformat (for eksempel B-bilder eller Doppler sonograms). Det er verdt å merke at ULA-OP systemet er fullt konfigurerbar, derav signalet i TX kan være en vilkårlig bølgeform innen systembåndbredde (f.eks tre nivåer pulser, sinus-pakker, chirps, Huffman koder, etc.) med maksimalt amplituden til 180 Vpp; i tillegg beamforming strategien kan programmeres etter de siste fokus mønstrene (f.eks fokusert bølge, multi-overføring, planet bølge, avvikende bølger, begrenset Diffraksjon bjelker, etc.)24,25 . På hardware nivå deles oppgavene mellom fem felt programmerbare Gate matriser (FPGAs) og en Digital signalprosessor (DSP). Med mekanisk feide 3D bildeprodukter sonder, som det som er beskrevet ovenfor, kontrollerer ULA-OP systemet stepper motor i proben, for synkroniserte oppkjøpet av 2D enkeltbilder på hver posisjon i svinger matrisen.
ULA-OP systemet kan re-konfigurert ved kjøretid og tilpasset ulike amerikanske sonder. Den kommuniserer gjennom en USB 2.0-kanal med en vertsdatamaskin, utstyrt med et bestemt verktøy. Sistnevnte har en konfigurerbar grafisk grensesnitt som gir sanntids visualisering av amerikanske bilder, i forskjellige moduser; med volumetriske sonder, for eksempel kan to B-modus bilder av vinkelrett fly i skannede volumet vises i sanntid.
Den største fordelen av ULA-OP systemet i forbindelse beskrevet protokollen er at den tillater en enkel tuning av parameterne TX-RX og tilbyr full tilgang til signal dataene samles inn på hvert trinn i behandlingen kjeden26, også gjør det mulig å teste nye tenkelig modaliteter og beamforming teknikker27,28,29,30,31,32,33.
Bevegelse sporingssystem
Post USA sonde posisjon under bildeopptak var en optisk bevegelse sporingssystem næringsdrivende34. Systemet er basert på en sensorenhet som avgir infrarødt lys via to illuminators (lys emitting diodene (lys)) og bruker to mottakere (dvs. en linse og en kostnad – sammen enhet (CCD)) for å oppdage lyset som reflekteres av flere mål-spesifikke passiv markører ordnet i forhåndsdefinerte stive figurer. Informasjon om reflektert lys behandles deretter av en innebygd CPU til å beregne både posisjon og retning data som kan overføres til en vertsmaskin koblet via USB 2.0. Den samme linken kan brukes til å kontrollere konfigurasjonen av sensoren.
Sensoren enheten leveres med et sett med verktøy, hver utstyrt med fire reflekterende markører ordnet i en rigid geometriske konfigurasjon. Bevegelse sporing system kan spore opptil seks forskjellige stive verktøy samtidig, med en fungerende frekvens på rundt 20 Hz. To slike verktøy ble brukt til disse eksperimentene: en peker-verktøyet, som lar anskaffe 3D posisjonen rørt av sine tips, og en klemme utstyrt verktøy, som kan knyttes til amerikanske sonden under test (se figur 14).
På programvaresiden har bevegelse sporing et lavt nivå føljetong programmeringsgrensesnitt (API) for både enheten kontroll og datafangst, som kan nås via USB. Standard returneres posisjon og orientering som multi-Entry varer, dvs en oppføring per hvert verktøy spores. Hver oppføring inneholder en 3D posisjon (x, y, z) uttrykt i mm og en orientering (q0, qx, qy, q-z) uttrykt som en quaternion. Systemet kommer også med en verktøykasse på høyere nivå programvareinstrumenter, som inkluderer grafisk sporingsverktøy for å visualisere og måle i sanntid stillinger/retningene av flere verktøy på synsfelt av sensoren.
Systemkomponenter oversikt, integrering og programvare
Diagrammet i Figur 3 oppsummerer instrumentering vedtatt for protokollen, beskrev også datastrømmen som flyter over systemene.
Figur 3: blokkdiagram over hele maskinvare oppsett og systemintegrasjon. Amerikanske proben er koblet til ULA-OP systemet som kommuniserer via USB med notatblokken for amerikanske bildeopptak. Samtidig, er notatblokken også koblet via USB til bevegelse sporing systemet, for posisjon datainnsamling, og via Ethernet til arbeidsstasjonen, for databehandling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Bortsett fra amerikanske sonder, bevegelse sporing og ULA-OP systemet, som er beskrevet ovenfor, inneholder oppsettet også to datamaskiner, nemlig en bærbar PC og en arbeidsstasjon. Tidligere er viktigste frontdatabase til instrumentering, motta og synkronisere de to viktigste innkommende datastreamer: USA bildene kommer fra ULA-OP systemet og 3D plasseringsdata fra bevegelse sporing. Det gir også en visuell tilbakemelding til operatøren for bilder blir kjøpt. Arbeidsstasjonen har betydelig høyere beregningsorientert kraften og lagringsplassen kapasitet. Det støtter bakenforliggende etter bildebehandling og et oppbevaringssted for kombinert tenkelig datasett. Arbeidsstasjonen brukes ogsåfor visualisering av USA og MR bilder, inkludert muligheten av samtidige 3D-visualisering av registrerte multimodal bilder.
En kritisk behov for bilde oppkjøpet eksperimenter er synkroniseringen av de to viktigste datastrømmene. Den bevegelse sporing og ULA-OP systemer er uavhengige instrumenter som ennå ikke støtter en eksplisitt synkronisering av aktiviteter. På grunn av dette må USA bildet data og posisjon informasjon kan kombineres riktig for å gjenkjenne riktig 3D posisjon av amerikanske sonden når hvert bilde-stykke ble kjøpt. For dette formålet, er en bestemt logging-programmet utviklet for opptak og timestamping i sanntid data levert av bevegelse sporing system, ved å endre en C++ programvarekomponent som følger, i dette tilfellet i bevegelse sporing selv. Vanligvis, motion tracking systemer har en lavnivå API som kan registrere data i sanntid og renskriving til en fil.
Synkroniseringsmetoden vedtatt fungerer som følger. Hver oppføring i filen produsert av logging-programmet er forsterket med tidsstempel i formatet “yyyy-MM-ddThh:mm:ss.kkk”, der: y = år, M = måned, d = dag, h = time m = minutt, s = andre, k = millisekunder. ULA-OP PC-basert programvare (C++ og MATLAB programmering språk) beregner start- og sluttidspunkt for hver anskaffelse bildesekvens og lagrer dette i hvert bilde i .vtk format. For å gi felles timelige referanse under forsøkene, kjøres både programvare fremgangsmåtene ovenfor på front-end datamaskinen i Figur 3. Tidsstempler produsert på denne måten brukes deretter av etterbehandling programvare prosedyrene som produserer den endelige datasettet (se avsnitt 8-protokollen).
En annen bestemt programvarekomponent ble realisert og kjøre på arbeidsstasjonen å gi tilbakemelding til operatøren av knyttet det gjeldende amerikanske sonde posisjon til MR bilder og spesielt til settet med forhåndsdefinerte positurer. En server-side programvare rutine i Python prosesser bevegelse tracker loggfilen, oversetter det gjeldende amerikanske sonde posisjon i en geometrisk form, og sender dataene til en Paraview server. En Paraview klient kobler til samme Paraview serveren og i sanntid viser plasseringen av den geometriske formen, lagt på en MR og ytterligere geometriske figurer som beskriver de forhåndsdefinerte positurer. Et eksempel på den resulterende sanntids visualiseringen er vist i Figur 17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Flere har blitt presentert i litteraturen som beskriver teknikker som er lik eller relatert til protokollen presentert. Disse teknikkene er også basert på bruk av realistiske mål, inkludert fast dyr eller cadaver hjernen, men de er hovedsakelig unnfanget for testing av digitale registrering metoder av ulike slag.
Protokollen beskrevet her, men har spesifikke formål å teste amerikanske sonder i forskjellige konfigurasjoner i de tidlige stadiene av utviklingen, og på grunn av dette, det op…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet har vært delvis støttet av nasjonale myndigheter og EU gjennom ENIAC JU prosjektet DeNeCoR under grant avtalenummer 324257. Forfatterne vil takke Prof Giovanni Magenes, Prof Piero Tortoli og Dr. Giosuè Caliano for sine dyrebare støtte, veiledning og innsiktsfulle kommentarer som dette arbeidet. Vi er også takknemlige Prof Egidio D’Angelo og hans gruppe (Blindkopi Lab.), sammen med Fondazione Istituto Neurologico C. Mondino, for å gi bevegelse sporing og MR instrumentering, og Giancarlo Germani for MR oppkjøp. Til slutt, vi vil gjerne takke Dr. Nicoletta Caramia, Dr. Alessandro Dallai og fru Barbara Mauti for deres verdifulle kundestøtte og Mr. Walter Volpi for å gi bovin hjernen.
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).
