PAM et le problème de mouvement
En pratique, la respiration, le rythme cardiaque et d’autres mouvements involontaires des petits animaux peuvent provoquer un mouvement vertical, comme l’illustre la figure 1a. Ce déplacement modifiera la position du transducteur ultrasonore par rapport à l’échantillon, ce qui entraînera une distorsion de la morphologie vasculaire et de l’intensité du signal PA.
Figure 1
Principe de la méthode de correction du mouvement orthogonal. (a) Le processus de numérisation raster et de collecte de signaux. GT, tube à gaz. (b) L’organigramme global de la méthode de correction de mouvement. La boîte en pointillés noirs représente le calcul de la corrélation croisée des lignes A orthogonales.
La méthode de numérisation utilisée dans PAM implique qu’un axe rapide correspond à l’axe des x et qu’un axe lent correspond à l’axe des y. Des signaux temporels unidimensionnels (ligne A) sont enregistrés à chaque point de balayage, collectant le signal ultrasonore généré dans l’ouverture angulaire de détection du détecteur focalisé. Le transducteur se déplace régulièrement à une vitesse constante le long de l’axe x pour effectuer un B-scan. Après chaque B-scan, le transducteur à ultrasons se déplace d’un pas de trame le long de l’axe y. Ce processus est répété jusqu’à ce que toute la région d’intérêt ait été numérisée.
La figure 1b montre l’organigramme global de notre méthode de correction de mouvement. Pour chaque ligne A d’entrée, un décalage temporel est calculé en considérant la corrélation pour quantifier avec précision le mouvement vertical. Le calcul de corrélation est effectué dans deux directions de balayage perpendiculaires. Ici, nous nommons le décalage temporel en calculant la corrélation le long de l’axe lent et de l’axe rapide comme ΔTy et ΔTx, respectivement. Ensuite, nous extrayons le déplacement vertical. Enfin, nous compensons les distorsions de position et d’amplitude.
La méthode de correction de mouvement orthogonale
Supposons que la ligne A reçue par le transducteur à ultrasons puisse être représentée par A(xi, yj, t), où t est le temps, xi et yj sont les positions de la grille d’acquisition dans les directions x et y. i est la coordonnée dans la direction entre les lignes A adjacentes, et j est la coordonnée dans la direction entre les balayages B adjacents.
Étant donné que le mouvement pourrait modifier le temps de vol d’une onde acoustique depuis l’absorption optique jusqu’à la surface du détecteur, le temps d’arrivée Tc(xi, yj) des signaux PA corrigés doit être exprimé comme suit :
$$T_{c} (x_{i} ,y_{j} ) = T(x_{i} ,y_{j} ) + Delta T_{y} (x_{i} ,y_{j} ) + Delta T_{x} (x_{i} ,y_{j} )$$
(1)
Ici, T(xi, yj) est l’heure d’arrivée des signaux PA détectés. Le décalage temporel ΔTy(xi, yj) et ΔTx(xi, yj) peut être estimé en maximisant la corrélation croisée entre les signaux reçus des positions adjacentes de la grille d’acquisition en suivant les étapes suivantes.
Tout d’abord, la corrélation le long de l’axe y est calculée pour chaque ligne A. La ligne A en (xi, yj) est comparée à la ligne A en (xi, yj+1). Le décalage temporel peut être estimé en maximisant la corrélation croisée,
$$Delta T_{y} (x_{i} ,y_{j} ) = mathop {arg max }limits_{Delta t} [sumlimits_{t = – infty }^{infty } {A(x_{i} ,y_{j} ,t + Delta t)A(x_{i} ,y_{j + 1} ,t)} ]$$
(2)
Deuxièmement, si ΔTy(xi, yj) ≠ 0, nous calculons la corrélation de la position de mouvement détectée le long de l’axe des x. En raison de la vitesse d’échantillonnage élevée sur l’axe X, qui est nettement plus courte que les périodes de mouvement, une distorsion continue apparaît le long de l’axe rapide. Les décalages temporels sont accumulés, permettant une estimation précise du déplacement du mouvement.
$$Delta T_{x} (x_{i} ,y_{j} ) = sumlimits_{m = 0}^{M} {mathop {arg max }limits_{Delta t} [sumlimits_{t = – infty }^{infty } {A(x_{i – m} ,y_{j} ,t + Delta T_{y} + Delta t)A(x_{{i – m – {1}}} ,y_{j} ,t + Delta T_{y} )} ]}$$
(3)
La valeur de M peut être estimée en fonction de la durée du mouvement de l’animal. Une valeur trop élevée pourrait entraîner une surcorrection, tandis qu’une valeur faible entraînerait un effet de correction moins efficace. Le déplacement vertical total peut être calculé par Δz = c(ΔTx + ΔTy), où c représente la vitesse du son dans l’eau. Ainsi, nous obtenons des résultats de déplacement de haute précision, nous permettant de compenser efficacement les distorsions de mouvement.
Troisièmement, la phase du signal reçu est réalignée sur la base des déplacements extraits. Le signal après correction Ac(xi, yj, t) peut être représenté comme :
$${varvec{A}}_{c} (x_{i} ,y_{j} ,t) = A(x_{i} ,y_{j} ,t + (Delta T_{y} + Delta T_{x} ))$$
(4)
Enfin, la distorsion d’intensité provoquée par la déviation de la zone focale est calibrée par les signaux adjacents. L’amplitude du signal Ac(xi, yj, tm) est ajustée à la valeur d’amplitude des signaux adjacents (Ac(xi, yj-1, tm) + Ac(xi, yj+1, tm ))/2, où tm est la position de l’amplitude maximale du signal. Pour chaque position dans le plan de balayage, les étapes ci-dessus sont répétées pour obtenir des images PA tridimensionnelles. L’image traitée décrit le signal PA sans mouvement.
Le procédé de correction de mouvement orthogonal combine la corrélation le long de directions de balayage orthogonales. Lorsqu’il s’agit d’un mouvement à grande vitesse, une ligne A corrompue par le mouvement sera entourée de lignes A qui sont également corrompues par le mouvement. Dans ce cas, il est peu probable que le calcul de la corrélation le long d’un seul axe de balayage permette de maintenir une estimation précise. Pour surmonter ces problèmes, les corrélations le long des directions de balayage orthogonales sont combinées pour corriger les artefacts de mouvement vertical. Ainsi, la méthode proposée garantit une détection précise des artefacts de mouvement et facilite une estimation précise du déplacement du mouvement.
Montage expérimental
La figure 2 représente le diagramme schématique du système PAM utilisé dans cette étude. Le système intègre un laser Nd:YAG (EXPL-532-2Y, Spectra-Physics Inc., Santa Clara, USA) à une longueur d’onde de 532 nm avec un taux de répétition de 10 kHz. Le faisceau laser est couplé à une fibre multimode (MMF) à l’aide d’une lentille convexe. La lumière de sortie est collimatée et convertie en un faisceau en forme d’anneau à l’aide d’une lentille conique. Le faisceau en forme d’anneau est ensuite focalisé sur l’échantillon à l’aide d’un condenseur optique en aluminium pour fournir un éclairage en fond noir3. Un transducteur à ultrasons focalisé sphérique fait maison est placé au centre du condenseur optique pour détecter les signaux PA. Le transducteur a une fréquence centrale de 13 MHz avec une bande passante relative de 66,7 % à 6 dB, un diamètre de 8 mm et une distance focale d’environ 8 mm. La résolution latérale du système PAM pourrait être théoriquement estimée à 0,71λ/NA = 164 μm. Les signaux PA détectés ont été numérisés par une carte d’acquisition de données (National Instruments, NI-5761) à une fréquence d’échantillonnage de 250 MHz. Une platine de translation motorisée 2D (KSA050-11-X, ZI Corp., Pékin, Chine) contrôlée par un contrôleur de mouvement (MC600, ZI Corp., Pékin, Chine) effectue un balayage raster du plan x-y.
Figure 2
Le dispositif expérimental. Photodiode PD, séparateur de faisceau BS, lentille convexe CL, fibre multimode MMF, lentille conique Con.L, carte d’acquisition de données DAQ Card, transducteur UT US, condenseur optique OC, réservoir d’eau WT.
Préparation des animaux
Les études animales ont été réalisées conformément aux protocoles approuvés par le comité d’études animales de l’Université de Nanjing. L’étude a été réalisée conformément aux directives ARRIVE. Toutes les méthodes ont été réalisées conformément aux directives et réglementations en vigueur. Une souris nue mâle (âgée d’environ 6 semaines et pesant environ 20 g) a été sélectionnée comme modèle animal pour les expériences d’imagerie in vivo. Nous avons d’abord placé la souris dans une boîte à induction, où nous l’avons anesthésiée à l’aide de gaz isoflurane. Une fois l’anesthésie prise, nous avons déplacé la souris sur le support pour animaux pour la maintenir en fixation latérale et avons utilisé un appareil d’anesthésie pour animaux et un masque respiratoire pour maintenir une anesthésie générale tout au long de l’expérience. Au cours de l’expérience, la concentration d’anesthésique a été maintenue à 3 %.
Déclarations éthiques
L’approbation éthique des expériences rapportées dans ce travail est fournie par le Comité des études animales de l’Université de Nanjing.
2024-02-21 09:45:18
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