Name: medical-grade sterilizable target for fluid-immersed fetoscope optical distortion calibration
Uploaded: 2017-02-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 3 s
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This work was supported through an Innovative Engineering for Health award by the Wellcome Trust [WT101957], the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) [NS/A000027/1], and a National Institute for Health Research Biomedical Research Centre UCLH/UCL High Impact Initiative. Jan Deprest is being funded by the Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek Vlaanderen (FWO; JD as clinical researcher 1.8.012.07). Danail Stoyanov receives funding from the EPSRC (EP/N013220/1, EP/N022750/1), the EU-FP7 project CASCADE (FP7-ICT-2913-601021), and the EU-Horizon2020 project EndoVESPA (H2020-ICT- 2015-688592). Sebastien Ourselin receives funding from the EPSRC (EP/H046410/1, EP/J020990/1, EP/K005278) and the MRC (MR/J01107X/1). Marcel Tella is supported by the EPSRC-funded UCL Centre for Doctoral Training in Medical Imaging (EP/L016478/1).

1.ターゲットの製作<ol><li>サンドブラスト<ol><li> 1.2 mmの厚さの316ステンレス鋼板を準備します。鉛筆や爪を使用して、定規の助けを借りてシートに40ミリメートル×40ミリメートルの正方形を描画します。 </li><li>マニュアル金属カッターを使用して描かれた正方形をカットします。注意！指を見ます。 </li><li>サンプルの角や辺を丸めるために、ファイルを使用します。注意！彼らは非常に鋭いです。注意してください。 </li><li>ステンレス鋼板よりもサイズが若干大きくまっすぐな木製や金属ブロックを準備します。その上にカット紙を置きます。サンドブラスト中にサンプルを曲げないようにするためにこれを行います。 </li><li>内部ブラスト室にアセンブリを配置します。集塵装置を使用し、しっかりと内部ブラスト室を密封することを忘れないでください。それ以外の場合は、砂が処理中に敷き詰めます。目を保護するための安全ゴーグルを着用します。 </li><li>垂直ブラストガンを置き、少なくとも4〜5センチメートル離れて金属の表面から。足のCONTRを適用しますサンドブラスト用のオール。サンプルを変形させることができ、高圧の砂の流れとして、バイスを用いて、（1〜2センチメートル厚）木片にサンプルを置きます。サンドブラスト時には、木片の端または別のバイスを使用してしっかりとサンプルを保持します。 </li><li>両側に刻まキャリブレーションパターンを有することが望ましい場合は、他の側にサンドブラストを繰り返します。 </li></ol></li><li>レーザパターニング<ol><li> 図1に示すように、非対称の円のパターンを設計します。 </li><li> CADソフトウェアまたは別の適切なプログラミング言語を使用して、いずれかの設計の図面交換形式（DXF）ファイルを準備します。 注：便宜上、本論文で述べた設計のためのDXFファイルを生成することができますPythonアプリケーションは、コンパクトなGUIアプリケーション16の一部として提供されます。 </li><li>レーザー切断ソフトウェアにDXFファイルをインポートします。 </li><li>背景エッチングのための次のパラメータを設定します。レーザーパワー：40％、スキャン速度：80センチメートル/ sで、周波数：4,000Hzから、パスの数：1。 </li><li>パターンをエッチングするため、次のパラメータを設定します。レーザーパワー：40％、スキャン速度2.1センチメートル/秒、周波数：4,000Hzから、パスの数：1。 </li><li>作業プラットフォームにサンプルを入れて、ソフトウェアを使用して切断パターンを揃えます。 </li><li>レーザーカットを実行した後、アルコールに浸漬することにより、サンプルをきれいに。彼らは通常、望ましくない残留物を残すように、任意のワイプを使用しないでください。 </li></ol></li><li>殺菌<ol><li>滅菌パッケージ内で滅菌サンプルをラップし、滅菌器（オートクレーブ）に挿入します。 </li><li>オートクレーブに水（ない蒸留水）を追加し、ターゲットを滅菌するために、ユーザーのガイド/製造元の推奨に従ってください。 </li></ol></li></ol> 2.周術期のキャリブレーション<ol><li>較正ソフトウェア<ol><li> GitHubの16に設けられた「endocal「内視鏡キャリブレーションソフトウェアパッケージをインストールします（その中のREADMEファイルの指示に従ってください）。 注：このソフトウェアは簡単に使用できる便利なアプリケーションでOpenCVのカメラキャリブレーションモジュール17をラップします。提供されたアプリケーションは、2つのモードで動作します。オンラインとオフライン。オンラインモードでは、互換性のあるフレームグラバーハードウェアから直接ビデオストリームを取得します。オフラインモードでは、負荷内視鏡画像のためのいずれかの動画ファイルや画像ファイルとして保存したビデオフレームの数のフォルダから可能になります。サポートされているハードウェアおよびこの2つのモードを使用する方法の詳細な手順については、READMEを参照してください。 </li></ol></li><li>内視鏡映像取得 注：（上記のように）以下の手順は、オンライン校正のためですが、彼らはまた、オフラインでキャリブレーションにも適用可能です。 <ol><li>このような小壺のように、無菌の流体容器にキャリブレーションターゲットを置きます。 </li><li>目標液または類似の滅菌物質で容器を満たします。 注：例えば、fetoscopic proceでデュレス、目標液は羊水です。羊水の光学特性は生理食塩水18、19と同様であるため、滅菌生理食塩水は、胎児鏡を較正するために使用することができます。 </li><li>所望のように、内視鏡のズームやシャープネスを調整します。 </li><li>流体中に内視鏡を浸し、内視鏡は、後に使用される解剖学からの距離に類似したキャリブレーションターゲットからの距離でそれを保持します。 </li><li>キャリブレーションアプリケーションを起動し、カメラの取得を開始します。 </li><li>カメラのビュー内の全キャリブレーションパターンを維持しながら、異なるビューのためにわずかに内視鏡の先端を移動します。最適なパフォーマンスを得るために、内視鏡の円形ビュー内のキャリブレーションパターンの周りに楕円形の凡例を保ちます。 注： 図3に見られるように、キャリブレーションのために使用できるビデオフレームは、仮想パターンのオーバーレイで示されています。 </li><li>アックイキャリブレーションのために必要な内視鏡カメラ・ビューの少なくとも最小数（endocalウィンドウに示されるように）再。 注：endocalの現在のバージョンは、キャリブレーションのために少なくとも10の内視鏡カメラビュー、キャリブレーション誤差が最小で、安定したパターン20に従うように見えるビューのヒューリスティックに選択された番号が必要です。 </li><li> endocalウィンドウに示されているように、これまでに取得された画像を使用してキャリブレーション処理を開始するために、キャリブレーションキーを押します。 </li></ol></li><li>キャリブレーション・パラメータを保存し、使用して<ol><li>プレスYAML中の得られた較正パラメータを保存するために指示されたキャリブレーションキー（「YAMLはマークアップ言語ではありません」）21を提出します 。 </li><li> OpenCVのカメラキャリブレーションモジュール17で説明したようにグループカメラ行列と歪み係数に較正パラメータ。 注：キャリブレーションを実行した後、キャリブレーションアプリケーションは自動的に元の内視鏡画像の右に歪み補正された画像を表示します。 </li><li>純粋な可視化のための、または11をモザイクリアルタイム胎盤のためのfetoscopic手順の間に、歪み補正後のビデオフィードを使用してください。 </li></ol></li></ol>

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	<li>Zhang, Z., Matsushita, Y., Ma, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Camera+calibration+with+lens+distortion+from+low-rank+textures.">Camera calibration with lens distortion from low-rank textures.</a> , 2321-2328 (2011).</li><li>Devernay, F., Faugeras, O. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+calibration+and+removal+of+distortion+from+scenes+of+structured+environments.">Automatic calibration and removal of distortion from scenes of structured environments.</a> , 62-72 (1995).</li><li>Duane, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Close-range+camera+calibration.">Close-range camera calibration.</a> Photogramm. 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The authors have nothing to disclose.

生の金属面が目立つことは不可能円が検出されるようにすること、内視鏡の光を反射するので、サンドブラストは、製造プロセスにおける重要なステップです。それも肉眼で円を区別することは困難である（ 図5参照）。示さターゲットの表面がすでにレーザーでエッチングしたことに注意してください。しかしながら、これは、光の反射を減少させません。 <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig5.jpg" /> 図5：なしサンドブラストでのキャリブレーションターゲットが適用されます。左側の内視鏡ビューから見られるように、材料表面上の内視鏡の光からのグレアが（ちょうど大きな反射の南東に円がある）でも、円を区別する肉眼のためにそれを困難にしています。このターゲット（ すなわち、「バックグラウンド」）の表面は既にエッチングが、これではありませんされたことに注意してください<html>サンドブラストの不在に役立ちます。 <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/55298fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> パターンエッチングの前に、試料全体の表面をエッチングすることも重要です。これは、サンドブラスト処理表面は、多くの鏡面反射を持っているので、ブロブ検出を妨害、（ 図6を参照）が必要です。 <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig6.jpg" /> 図6：なしエッチングで表面をサンドブラスト。生の金属表面ほど顕著ではないが、（黄色の矢印で強調されているそのうちのいくつか）が比較的小さい鏡面反射がまだ続くからブロブ検出を防止するのに十分であるので、何のキャリブレーションは、このターゲットを用いて実行することはできません。ARGET = &quot;_空白&quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 異なる速度でレーザーを適用すると、別の背景色を与えます。背景色は、円と背景とのコントラストが重要な役割を果たしています。したがって、最適な背景色を決定するために重要です。この目的のために、丸付きプレートが作成された別の背景（ 図7参照 ）のセットに対してエッチング。背景はOpenCVのカメラキャリブレーションモジュール17で使用されているOpenCVの23の特徴検出モジュールを用いて試験しました。それは、医療デバイスのための診療所で使用される最も一般的かつ信頼性の高い物質であるように、この作業では、ターゲットは、ステンレス鋼で作られました。この材料は、高価な堅牢、かつ殺菌することは容易ではない、自由に利用可能です。他の材料は、潜在的に、アルミニウム又はヨウ素添加金属として、較正ターゲットを使用することができるが、これはSCOPあります今後の作業の電子。 <img alt="図7" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig7.jpg" /> 図7：レーザーでエッチング異なる背景色のパレットを搭載ステンレス鋼板。実用的な実験は、色ブロブ対背景コントラスト23の観点で最適な結果を与えるバックグラウンドを決定するためにOpenCVの特徴検出モジュールと組み合わせて実施されました。左側の内視鏡ビューは、プレートを示しています。適度な背景色（ すなわち、最も暗いと最も軽いものことを他のもの）は、このパレットでは、より良いブロブ検出をもたらします。 <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/55298fig7large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> この作業の利点の1つは、作製対象を使用してキャリブレーションを行うこと2-3分かかることです。努力のほとんどが行きますESは手動でキャリブレーションパターンのまともなビューを取得するために内視鏡を安定化します。特注の内視鏡保持具を使用して順番に大幅較正時間を短縮する可能性があり、手動安定化の必要性を排除することができます。 <img alt="ビデオ1" src="/files/ftp_upload/55298/55298video1.jpg" /> ビデオ1：ビデオは、光学歪み校正がendocalソフトウェアと共に開発較正ターゲットを用いて行うことができる方法を示します。 <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/fetoscope-calibration-480.mov" target="_blank">このビデオを見るにはこちらをクリックしてください。 （ダウンロードするには、右クリックします。）</a> Wengert らの仕事に比べて我々の仕事の利点。 図15は、OpenCVのカメラキャリブレーションモジュール17は、任意の変更またはカスタムパラメを必要とせずに、キャリブレーションのためのものであるとして使用され得ることですterization。 OpenCVのは、十分に確立されたと手入れの行き届いたソフトウェアパッケージであり、それは書き込み、カスタムソフトウェアを維持する必要がなくなり使用して、コンピュータビジョンのコミュニティで非常に人気がありますので。読者の便宜のために、コンパクトなGUIアプリケーションは、読者が簡単にインストールして、新しいキャリブレーションターゲットをテストするために使用できる16を 、提供されています。 Wengert らに比べて我々の方法の一つの欠点。 15は 、すべてのブロブの検出を必要としないように、その方法は、パターンの閉塞に対してよりロバストであるということです。 最初は、チェッカーボードパターンとキャリブレーションターゲットがこの仕事のために作製しました。ただし、キャリブレーションターゲットのこのタイプは、市松模様の正方形の隅を検出することの難しさに起因する実験に不適切であることが判明しました。コーナー検出は、ヒストグラムベースの画像2値化（OpenCVのソースコード24を参照）に依存します。このインプ図6に示すものと同様に、部分的に起因する鏡面反射に、私たちの市松模様で保証されませんでした明るさと暗さの正方形、間に明確な色のコントラストの必要性があります。このような鏡面反射はあっても、バックグラウンドのエッチング後に存在しています。しかしながら、円の検出は、この欠点に敏感であると思われます。 現在の設定では、キャリブレーションターゲットの唯一の垂直ビューは成功したブロブの検出を可能にします。これは、斜めの角度でブロブ検出を妨げるターゲット表面からの鏡面反射によるものです。我々は、潜在的に行わ校正20の品質を向上させることができ角の広い範囲でのビューの取得を可能にするために、標的の向上に努めています。 リアルタイムで胎盤は、以前に11を提案したパイプライン、トランスの計算をモザイク画像対をマッピング形成が検出成功と機能のグループ化に依存しています。光学的歪みは、他の一方で、剛性のジオメトリを持つフィーチャのグループが画像間で異なる出現させます。その結果、この差は得られる画像のモザイクのドリフトを引き起こす計算変換の不正確さにつながります。最も顕著な光学歪みがエッジに向かって存在しているので、内視鏡画像は、現在彼らの最も内側の領域に切り取られます。光学的歪みのための良好な補正は、潜在的にモザイク処理に各画像の大部分の組み込みを可能にするであろう。この方法の利点は、2つある。まず、潜在的に、画像変換の計算を改善する、各画像内の検出された特徴の数を増加させます。第二に、それは短時間で再構成する全体目標の解剖学的表面を可能にするであろう。

<html>カメラキャリブレーションは集中3、2、1年にわたって研究されているコンピュータビジョンの分野ではよく知られている問題です。カメラキャリブレーション手順の重要なステップは、サブピクセル精度でカメラ画像からの既知のジオメトリとの点の格子を抽出することにより、歪モデルのパラメータ、ならびに固有のカメラパラメータを推定することです。黒と白の正方形を特徴チェッカーボードパターンで較正ターゲットは、一般的にこの目的のために使用されます。円形のブロブは、代替パターン4、5、6を提供しています。 近年では、このような胎児上のツイン・ツー・ツイン輸血症候群（TTTS）の治療として、胎児手術の手順については、手術ナビゲーション技術の開発への関心が高まってきました&gt; 7、8、9、10。胎児鏡の視野（ すなわち、胎児の外科手術に使用される内視鏡）は、非常に限られているように、外部の追跡を使用することなく、胎盤脈管構造をマッピングするための方法は、TTTS手術11、12、13を補助するために提案されています。 fetoscopic画像内の光学的歪みは、視覚情報抽出11に依存しているこれらの計算モザイク法に悪影響を与えます。したがって、光学的歪み補償が介入中にリアルタイムで行うことができるように、周囲に、作動fetoscopesを較正するためのコスト効率と高速ツールの満たされていない必要性が存在します。 胎児鏡は介入中羊水中に浸漬されているという事実は、Aとの屈折率差にIRおよび羊水は胎児手術の手順に適さない古典的で空気カメラキャリブレーション方法をレンダリングします。気中のカメラパラメータから流体に浸漬カメラパラメータを推定することは困難な作業であり、流体に浸漬キャリブレーションターゲット14の少なくとも1つの画像を必要とします。また、周術期には、流体に浸漬fetoscopicカメラキャリブレーションは、手術室で許可された材料上の殺菌の要件と制限のため、現在は非現実的です。これらの理由に、光学歪みを内視鏡を較正することは、典型的に現在の臨床ワークフローの一部ではありません。この原稿での作業は、非対称円のパターンを特色に滅菌可能で実用的な光学歪みのキャリブレーションターゲットを設計し、製造することにより、このカメラキャリブレーションギャップを埋めるための試みです。以前は、Wengert ら。較正ターゲットとして酸化アルミニウム板を搭載カスタム校正装置を作製しました。彼らのメタODは、しかし、唯一の彼らは15を開発したカスタムキャリブレーション・アルゴリズムと連携して動作します。

<table><tbody><tr><td>1.2 mm Metal sheet 316 Grade, 40 mm by 40 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Water container at least 50 mm by 50 mm by 30 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>A sterilization package</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Saline water</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Manual metal cutter</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>A file to round up the corners</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>A wooden or metal block 50 mm by 50 mm at least 10 mm thick</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>A vice (desirable but not required)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sand Blasting machine</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>GUI application to create .dxf file with the pattern</td><td></td><td></td><td>https://github.com/gift-surg/endocal</td></tr><tr><td>PC</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Laser Cutter</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Autoclave</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>An endoscope calibration software</td><td></td><td></td><td>from GitHub: https://github.com/gift-surg/endocal</td></tr><tr><td>Endoscope</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>OpenCV camera calibration module</td><td></td><td></td><td>http://docs.opencv.org/2.4/doc/tutorials/calib3d/camera_calibration/camera_calibration.html</td></tr><tr><td>Safety goggles</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>A lab coat</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>A ruler and a marker</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Alcohol (preferably ethanol) for dust removal and cleaning</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

medical-grade sterilizable target for fluid-immersed fetoscope optical distortion calibration

We have developed a calibration target for use with fluid-immersed endoscopes within the context of the GIFT-Surg (Guided Instrumentation for Fetal Therapy and Surgery) project. One of the aims of this project is to engineer novel, real-time image processing methods for intra-operative use in the treatment of congenital birth defects, such as spina bifida and the twin-to-twin transfusion syndrome. The developed target allows for the sterility-preserving optical distortion calibration of endoscopes within a few minutes. Good optical distortion calibration and compensation are important for mitigating undesirable effects like radial distortions, which not only hamper accurate imaging using existing endoscopic technology during fetal surgery, but also make acquired images less suitable for potentially very useful image computing applications, like real-time mosaicing. In this paper proposes a novel fabrication method to create an affordable, sterilizable calibration target suitable for use in a clinical setup. This method involves etching a calibration pattern by laser cutting a sandblasted stainless steel sheet. This target was validated using the camera calibration module provided by OpenCV, a state-of-the-art software library popular in the computer vision community.

我々は、その設計図1に示されているサンドブラストステンレス鋼の金属シート上に非対称の円のパターンをエッチングすることにより滅菌較正ターゲットを作成しました。一緒に胎児鏡とアクションでこの較正ターゲットを示す例示的なセットアップは、図2に示されています。レーザーエッチングソフトウェアにこの設計を養うために、カスタムアプリケーションは、Pythonプログラミング言語16で実装されました。設計パターンを作成する反復金属シートの平行線をエッチングすることを含みます。パターンが最終的に一貫性のある色を持つためには、これらの線間の距離は、レーザビームの幅未満でなければならない（ 図1の挿入図を参照）の値がヴィオリーノ（Laservall）レーザーカッターのために45μmである-これ。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig1.jpg" /> <st<html>栄&gt;図1：非対称円の3行11グリッドを搭載し刻まれたパターンのデザイン。挿入図：ズームアップ非対称円のグリッドの眺め。線間の距離は、（レーザビーム幅に等しい）が45μmであり、各円は、1mmの直径を有します。他のサイズも同様にグリッドを使用することができるが、これは、ビューの胎児鏡の分野に対して最適であることが見出されました。 <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/55298fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig2.jpg" /> 図2：使用中のキャリブレーションターゲットと模範セットアップ。水浸胎児鏡の先端は右のキャリブレーションターゲットに向けられています。左側にはスケール情報を提供するために、英国のペニーです。&quot;ターゲット=&quot; _空白 &quot;&gt;この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 製造されたキャリブレーションターゲットが位置次に予め定義された非対称の円形グリッドにソートされるOpenCVの17と内視鏡のビデオストリームにおける円形パターンの検出を可能にする（ 図3参照）。既知のグリッド幾何形状に関連して、この情報を使用して、内部カメラパラメータを推定することができます。これらは、カメラ行列と歪み係数が含まれます。カメラ行列は、焦点距離と2次元画像平面のx軸とy軸に沿って光学中心から成ります。歪み係数はブラウンコンラディモデル3に基づいています。この作業のために、唯一の放射状の歪みパラメータを推定したことに注意してください。実用的な例と理論の簡単な説明については、OpenCVのカメラキャリブレーションモジュールのWebページを参照してください&lt;SUPクラス= &quot;外部参照&quot;&gt; 17とMATLABカメラキャリブレーションツールボックス22。カメラキャリブレーション手順の詳細については、張さんの作品20でご利用いただけます。 endocalソフトウェアリポジトリは、製造されたキャリブレーションターゲット16の10、内視鏡のビューのサンプルデータセットを備えています。このデータセットを使用して、0.28ピクセル（最小：0.16、最大0.45）の平均再投影誤差のキャリブレーションを得ました。これはWengert らによって報告された0.25ピクセルに匹敵します。自分のカスタムキャリブレーション・アルゴリズム15を使用して。 18モザイク胎盤のために使用される内視鏡カメラを較正するための15の方法を使用する場合、同じ研究グループは、しかしながら、より最近の論文で0.6画素の再投影誤差を報告しました。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig3.jpg" /> <st栄&gt;図3：キャリブレーションパターンのリアルタイム検出。検出されたキャリブレーションパターンを搭載し、キャリブレーションアプリケーション16からのスクリーンショットは、OpenCVの17から仮想現実可視化を使用して、ライブビデオストリームにオーバーレイ。キャリブレーションパターンの検出された各列が異なる色で強調されていることに注意してください。検出された円は、既知の幾何学的形状に関連して、カメラパラメータを計算するために使用されます。 <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/55298fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 推定されたカメラパラメータは、光学歪補正のために使用されます。光学歪みが線が曲線として表示されるよう胎児鏡を使用して見た図4は 、長方形のチェス盤のパターンを示しています。行がdistortiで正常に見えることに注意してください上の補正された画像。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/55298/55298fig4.jpg" /> 図4：光学歪み補正。歪み補正後の画像と市松模様（左）（右）から胎児鏡の記録からのライブ映像をフィーチャーしたキャリブレーションアプリケーション16からのスクリーンショット。 3つの例示的な線は軌道が直線的である別のコーナーからそれぞれ、両方の画像に描かれています。光学的歪みに、これらの行は、元の胎児鏡画像の曲線として表示されます。 <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55298/55298fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

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Medical-grade Sterilizable Target for Fluid-immersed Fetoscope Optical Distortion Calibration

This article describes the design and development of a sterilizable custom camera optical distortion calibration target for the peri-operative, fluid-immersed calibration of endoscopes during endoscopic interventions.

流体浸漬胎児鏡光学歪み校正のための医療用滅菌可能なターゲット

We have developed a calibration target for use with fluid-immersed endoscopes within the context of the GIFT-Surg (Guided Instrumentation for Fetal ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

7.6K ビュー.  University College London. This article describes the design and development of a sterilizable custom camera optical distortion calibration target for the peri-operative, fluid-immersed calibration of endoscopes during endoscopic interventions.

ビデオ: Medical-grade Sterilizable Target for Fluid-immersed Fetoscope Optical Distortion Calibration

Evaluation of the Feasibility, Safety, and Accuracy of an Intraoperative High-intensity Focused Ultrasound Device for Treating Liver Metastases

Today, the only potentially curative option in patients with colorectal liver metastases is surgery. However, liver resection is feasible in less than 20% of patients. Surgery has been widely used in association with radiofrequency, cryotherapy, or microwaves to expand the number of treatments performed with a curative intent. Nevertheless, several limitations have been documented when using these techniques (i.e., a traumatic puncture of the parenchyma, a limited size of lesions, and an inability to monitor the treatment in real-time).High-intensity focused ultrasound (HIFU) technology can achieve precise ablations of biological tissues without incisions or radiation. Current HIFU devices are based on an extracorporeal approach with limited access to the liver. We have developed a HIFU device designed for intraoperative use. The use of a toroidal transducer enables an ablation rate (10 cm3&#183;min-1) higher than any other treatment and is independent of perfusion.
The feasibility, safety, and accuracy of intraoperative HIFU ablation were evaluated during an ablate-and-resect prospective study. This clinical phase I and IIa study was performed in patients undergoing hepatectomy for liver metastases. The HIFU treatment was performed on healthy tissue scheduled for resection.Liver metastases measuring less than 20 mm will be targeted during phase IIb (currently ongoing). This set-up allows the real-time evaluation of HIFU ablation while protecting participating patients from any adverse effects related to this new technique.
Fifteen patients were included in phase I&#8211;IIa and 30 HIFU ablations were safely created within 40 s and with a precision of 1&#8211;2 mm. The average dimensions of the HIFU ablations were 27.5 x 21.0 mm2, corresponding to a volume of approximately 7.5 cm3. The aim of the ongoing phase IIb is to ablate metastases of less than 20 mm in diameter with a 5 mm margin.

Here, we present an ablate-and-resect prospective study to evaluate the feasibility, safety, and accuracy of intraoperative high-intensity focused ultrasound ablation in patients undergoing hepatectomy for liver metastases.

肝転移の治療に超音波装置が可能性、安全性、術中の高輝度の精度の評価に焦点を当ててください。

Today, the only potentially curative option in patients with colorectal liver metastases is surgery. However, liver resection is feasible in less than 20% ...

がん研究

Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver

Ultrasound is frequently used for guiding minimally invasive procedures, but visualizing medical devices is often challenging with this imaging modality. When visualization is lost, the medical device can cause trauma to critical tissue structures. Here, a method to track the needle tip during ultrasound image-guided procedures is presented. This method involves the use of a fiber-optic ultrasound receiver that is affixed within the cannula of a medical needle to communicate ultrasonically with the external ultrasound probe. This custom probe comprises a central transducer element array and side element arrays. In addition to conventional two-dimensional (2D) B-mode ultrasound imaging provided by the central array, three-dimensional (3D) needle tip tracking is provided by the side arrays. For B-mode ultrasound imaging, a standard transmit-receive sequence with electronic beamforming is performed. For ultrasonic tracking, Golay-coded ultrasound transmissions from the 4 side arrays are received by the hydrophone sensor, and subsequently the received signals are decoded to identify the needle tip&#39;s spatial location with respect to the ultrasound imaging probe. As a preliminary validation of this method, insertions of the needle/hydrophone pair were performed in clinically realistic contexts. This novel ultrasound imaging/tracking method is compatible with current clinical workflow, and it provides reliable device tracking during in-plane and out-of-plane needle insertions.

Accurate and efficient visualization of invasive medical devices is extremely important in many ultrasound-guided minimally invasive procedures. Here, a method for localizing the spatial position of a needle tip relative to the ultrasound imaging probe is presented.

三次元超音波針の先端光ファイバー超音波受信機と追跡

Ultrasound is frequently used for guiding minimally invasive procedures, but visualizing medical devices is often challenging with this imaging modality. ...

工学

Fabrication of Refractive-index-matched Devices for Biomedical Microfluidics

The use of microfluidic devices has emerged as a defining tool for biomedical applications. When combined with modern microscopy techniques, these devices can be implemented as part of a robust platform capable of making simultaneous complementary measurements. The primary challenge created by the combination of these two techniques is the mismatch in refractive index between the materials traditionally used to make microfluidic devices and the aqueous solutions typically used in biomedicine. This mismatch can create optical artifacts near the channel or device edges. One solution is to reduce the refractive index of the material used to fabricate the device by using a fluorinated polymer such as MY133-V2000 whose refractive index is similar to that of water (n = 1.33). Here, the construction of a microfluidic device made out of MY133-V2000 using soft lithography techniques is demonstrated, using O2 plasma in conjunction with an acrylic holder to increase the adhesion between the MY133-V2000 fabricated device and the polydimethylsiloxane (PDMS) substrate. The device is then tested by incubating it filled with cell culture media for 24 h to demonstrate the ability of the device to maintain cell culture conditions during the course of a typical imaging experiment. Finally, quantitative phase microscopy (QPM) is used to measure the distribution of mass within the live adherent cells in the microchannel. This way, the increased precision, enabled by fabricating the device from a low index of refraction polymer such as MY133-V2000 in lieu of traditional soft lithography materials such as PDMS, is demonstrated. Overall, this approach for fabricating microfluidic devices can be readily integrated into existing soft lithography workflows in order to reduce optical artifacts and increase measurement precision.

This protocol describes the fabrication of microfluidic devices from MY133-V2000 to eliminate artifacts that often arise in microchannels due to the mismatching refractive indices between microchannel structures and an aqueous solution. This protocol uses an acrylic holder to compress the encapsulated device, improving adhesion both chemically and mechanically.

生体の屈折率-屈折率整合素子の作製

The use of microfluidic devices has emerged as a defining tool for biomedical applications. When combined with modern microscopy techniques, these devices ...

Multiplexing Focused Ultrasound Stimulation with Fluorescence Microscopy

By focusing low-intensity ultrasound pulses that penetrate soft tissues, LIPUS represents a promising biomedical technology to remotely and safely manipulate neural firing, hormonal secretion and genetically-reprogrammed cells. However, the translation of this technology for medical applications is currently hampered by a lack of biophysical mechanisms by which targeted tissues sense and respond to LIPUS. A suitable approach to identify these mechanisms would be to use optical biosensors in combination with LIPUS to determine underlying signaling pathways. However, implementing LIPUS to a fluorescence microscope may introduce undesired mechanical artefacts due to the presence of physical interfaces that reflect, absorb and refract acoustic waves. This article presents a step-by-step procedure to incorporate LIPUS to commercially-available upright epi-fluorescence microscopes while minimizing the influence of physical interfaces along the acoustic path. A simple procedure is described to operate a single-element ultrasound transducer and to bring the focal zone of the transducer into the objective focal point. The use of LIPUS is illustrated with an example of LIPUS-induced calcium transients in cultured human glioblastoma cells measured using calcium imaging.

Low-Intensity Pulsed Ultrasound Stimulation (LIPUS) is a modality for non-invasive mechanical stimulation of endogenous or engineered cells with high spatial and temporal resolution. This article describes how to implement LIPUS to an epi-fluorescence microscope and how to minimize acoustic impedance mismatch along the ultrasound path to prevent unwanted mechanical artefacts.

多重蛍光顕微鏡と超音波刺激を集中

By focusing low-intensity ultrasound pulses that penetrate soft tissues, LIPUS represents a promising biomedical technology to remotely and safely ...

Evaluating Targeting Accuracy in the Focal Plane for an Ultrasound-guided High-intensity Focused Ultrasound Phased-array System

Phased arrays are increasingly used as high-intensity focused ultrasound (HIFU) transducers in the existing extracorporeal ultrasound-guided HIFU (USgHIFU) systems. The HIFU transducers in such systems are usually spherical in shape with a central hole where a US imaging probe is mounted and can be rotated. The image on the plane of treatment can be reconstructed through the image sequence acquired during the rotation of the probe. Therefore, the treatment plan can be made on the reconstructed images. In order to evaluate the targeting accuracy in the focal plane of such systems, the protocol of a method using a bovine muscle and marker-embedded phantom is described. In the phantom, four solid balls at the corners of a square resin model serve as the reference markers in the reconstructed image. The target should be moved so that both its center and the center of the square model can coincide according to their relative positions in the reconstructed image. Swine muscle with a thickness of about 30 mm is placed above the phantom to mimic the beam path in clinical settings. After sonication, the treatment plane in the phantom is scanned and the boundary of the associated lesion is extracted from the scanned image. The targeting accuracy can be evaluated by measuring the distance between the centers of target and lesion, as well as three derivative parameters. This method cannot only evaluate the targeting accuracy of the target consisting of multiple focal spots rather than a single focal spot in a clinically relevant beam path of the USgHIFU phased-array system, but it can be also used in the preclinical evaluation or regular maintenance of USgHIFU systems configured with phased-array or self-focused HIFU transducer.

This study describes a protocol to evaluate the targeting accuracy in the focal plane of an ultrasound-guided high-intensity focused ultrasound phased-array system.

超音波フェイズド アレイ システムを集中超音波ガイド高輝度のフォーカル プレーンでターゲットの精度の評価

Phased arrays are increasingly used as high-intensity focused ultrasound (HIFU) transducers in the existing extracorporeal ultrasound-guided HIFU ...

Microtensiometer for Confocal Microscopy Visualization of Dynamic Interfaces

Adsorption of surface-active molecules to fluid-fluid interfaces is ubiquitous in nature. Characterizing these interfaces requires measuring surfactant adsorption rates, evaluating equilibrium surface tensions as a function of bulk surfactant concentration, and relating how surface tension changes with changes in the interfacial area following equilibration. Simultaneous visualization of the interface using fluorescence imaging with a high-speed confocal microscope allows the direct evaluation of structure-function relationships. In the capillary pressure microtensiometer (CPM), a hemispherical air bubble is pinned at the end of the capillary in a 1 mL volume liquid reservoir. The capillary pressure across the bubble interface is controlled via a commercial microfluidic flow controller that allows for model-based pressure, bubble curvature, or bubble area control based on the Laplace equation. Compared to previous techniques such as the Langmuir trough and pendant drop, the measurement and control precision and response time are greatly enhanced; capillary pressure variations can be applied and controlled in milliseconds. The dynamic response of the bubble interface is visualized via a second optical lens as the bubble expands and contracts. The bubble contour is fit to a circular profile to determine the bubble curvature radius, R, as well as any deviations from circularity that would invalidate the results. The Laplace equation is used to determine the dynamic surface tension of the interface. Following equilibration, small pressure oscillations can be imposed by the computer-controlled microfluidic pump to oscillate the bubble radius (frequencies of 0.001-100 cycles/min) to determine the dilatational modulus The overall dimensions of the system are sufficiently small that the microtensiometer fits under the lens of a high-speed confocal microscope allowing fluorescently tagged chemical species to be quantitatively tracked with submicron lateral resolution.

This manuscript describes the design and operation of a microtensiometer/confocal microscope to do simultaneous measurements of interfacial tension and surface dilatational rheology while visualizing the interfacial morphology. This provides the real-time construction of structure-property relationships of interfaces important in technology and physiology.

動的界面の共焦点顕微鏡可視化のためのマイクロテンシオメータ

Adsorption of surface-active molecules to fluid-fluid interfaces is ubiquitous in nature. Characterizing these interfaces requires measuring surfactant ...

Direct Force Measurements of Subcellular Mechanics in Confinement using Optical Tweezers

During the development of a multicellular organism, a single fertilized cell divides and gives rise to multiple tissues with diverse functions. Tissue morphogenesis goes in hand with molecular and structural changes at the single cell level that result in variations of subcellular mechanical properties. As a consequence, even within the same cell, different organelles and compartments resist differently to mechanical stresses; and mechanotransduction pathways can actively regulate their mechanical properties. The ability of a cell to adapt to the microenvironment of the tissue niche thus is in part due to the ability to sense and respond to mechanical stresses. We recently proposed a new mechanosensation paradigm in which nuclear deformation and positioning enables a cell to gauge the physical 3D environment and endows the cell with a sense of proprioception to decode changes in cell shape. In this article, we describe a new method to measure the forces and material properties that shape the cell nucleus inside living cells, exemplified on adherent cells and mechanically confined cells. The measurements can be performed non-invasively with optical traps inside cells, and the forces are directly accessible through calibration-free detection of light momentum. This allows measuring the mechanics of the nucleus independently from cell surface deformations and allowing dissection of exteroceptive and interoceptive mechanotransduction pathways. Importantly, the trapping experiment can be combined with optical microscopy to investigate the cellular response and subcellular dynamics using fluorescence imaging of the cytoskeleton, calcium ions, or nuclear morphology. The presented method is straightforward to apply, compatible with commercial solutions for force measurements, and can easily be extended to investigate the mechanics of other subcellular compartments, e.g., mitochondria, stress-fibers, and endosomes.

Here, we present a protocol to investigate the intracellular mechanical properties of isolated embryonic zebrafish cells in three-dimensional confinement with direct force measurement by an optical trap.

光ピンセットを用いた閉じ込めにおける細胞下力学の直接力測定

During the development of a multicellular organism, a single fertilized cell divides and gives rise to multiple tissues with diverse functions. Tissue ...

発生生物学

Spatio-Temporal In Vivo Imaging of Ocular Drug Delivery Systems using Fiberoptic Confocal Laser Microendoscopy

Subconjunctival injection is an attractive route to administer ocular drugs due to easy trans-scleral access that bypasses anterior ocular barriers, such as the cornea and conjunctiva. While therapeutic effects and pharmacokinetics of the drugs upon subconjunctival injection have been described in some studies, very few assess the ocular distribution of drugs or drug delivery systems (DDS). The latter is critical for the optimization of intraocular DDS design and drug bioavailability to achieve the desired ocular localization and duration of action (e.g., acute versus. prolonged). This study establishes the use of fiberoptic confocal laser microendoscopy (CLM) to qualitatively study the ocular distribution of fluorescent liposomes in real-time in live mice after sub-conjunctival injection. Being designed for in vivo visual inspection of tissues at the microscopic level, this is also the first full description of the CLM imaging method to study spatio-temporal distribution of injectables in the eye after subconjunctival injection.

Spatio-Temporal In Vivo Imaging of Ocular Drug Delivery Systems using Fiberoptic Confocal Laser Microendoscopy

We present a protocol for the use of fiberoptic confocal laser microendoscopy (CLM) to non-invasively study the spatio-temporal distribution of liposomes in the eye after subconjunctival injection.

光ファイバー共焦点レーザー微小内視鏡検査を用いた眼内ドラッグデリバリーシステムの時空間的イン ビボ イメージング

Subconjunctival injection is an attractive route to administer ocular drugs due to easy trans-scleral access that bypasses anterior ocular barriers, such ...

生物工学

Model Surgical Training: Skills Acquisition in Fetoscopic Laser Photocoagulation of Monochorionic Diamniotic Twin Placenta Using Realistic Simulators

Fetoscopic laser coagulation of arterio-venous anastomoses (AVA) in a monochorionic placenta is the standard of care for twin-twin transfusion syndrome (TTTS), but is technically challenging and can lead to significant complications. Acquiring and maintaining the necessary surgical skills require consistent practice, a critical caseload, and time. Training on realistic surgical simulators can potentially shorten this steep learning curve and enables several proceduralists to acquire procedure-specific skills simultaneously. Here we describe realistic simulators designed to allow the user familiarity with the equipment and specific steps required in the surgical treatment of TTTS, including fetoscopic handling, approaches to anterior and posterior placenta, recognition of anastomoses, and efficient coagulation of vessels. We describe the skills that are especially important in conducting placental laser coagulation that the surgeon can practice on the model and apply in a clinical case. These models can be adapted easily depending on the availability of materials and require standard fetoscopy equipment. Such training systems are complementary to traditional surgical apprenticeships and can be useful aids for fetal medicine units that provide this clinical service.

Practicing the specific skills required for fetoscopic laser coagulation of monochorionic placental anastomoses on realistic models can aid less experienced surgeons in overcoming the steep learning curve associated with this procedure that is now regarded as the standard of care for twin-twin transfusion syndrome.

リアルなシミュレータを使用した Monochorionic Diamniotic ツイン胎盤の胎児レーザー光凝固でモデル手術トレーニング: スキルの習得

Fetoscopic laser coagulation of arterio-venous anastomoses (AVA) in a monochorionic placenta is the standard of care for twin-twin transfusion syndrome ...

医学

自動圧縮によるブタ眼レンズの生体力学的特性評価

Automated Compression Testing of the Ocular Lens

The biomechanical properties of the ocular lens are essential to its function as a variable power optical element. These properties change dramatically with age in the human lens, resulting in a loss of near vision called presbyopia. However, the mechanisms of these changes remain unknown. Lens compression offers a relatively simple method for assessing the lens' biomechanical stiffness in a qualitative sense and, when coupled with appropriate analytical techniques, can help quantify biomechanical properties. A variety of lens compression tests have been performed to date, including both manual and automated, but these methods inconsistently apply key aspects of biomechanical testing such as preconditioning, loading rates, and time between measurements. This paper describes a fully automated lens compression test wherein a motorized stage is synchronized with a camera to capture the force, displacement, and shape of the lens throughout a preprogrammed loading protocol. A characteristic elastic modulus may then be calculated from these data. While demonstrated here using porcine lenses, the approach is appropriate for the compression of lenses of any species.

著者スポットライト:加齢に伴うレンズの剛性変化の理解を深める 

We present an automated method for characterizing the effective elastic modulus of an ocular lens using a compression test.

接眼レンズの自動圧縮試験

The biomechanical properties of the ocular lens are essential to its function as a variable power optical element. These properties change dramatically ...

流体浸漬胎児鏡光学歪み校正のための医療用滅菌可能なターゲット

要約

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肝転移の治療に超音波装置が可能性、安全性、術中の高輝度の精度の評価に焦点を当ててください。

三次元超音波針の先端光ファイバー超音波受信機と追跡

生体の屈折率-屈折率整合素子の作製

多重蛍光顕微鏡と超音波刺激を集中

超音波フェイズドアレイシステムを集中超音波ガイド高輝度のフォーカルプレーンでターゲットの精度の評価

動的界面の共焦点顕微鏡可視化のためのマイクロテンシオメータ

光ピンセットを用いた閉じ込めにおける細胞下力学の直接力測定

光ファイバー共焦点レーザー微小内視鏡検査を用いた眼内ドラッグデリバリーシステムの時空間的インビボイメージング

リアルなシミュレータを使用した Monochorionic Diamniotic ツイン胎盤の胎児レーザー光凝固でモデル手術トレーニング: スキルの習得

接眼レンズの自動圧縮試験

流体浸漬胎児鏡光学歪み校正のための医療用滅菌可能なターゲット

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肝転移の治療に超音波装置が可能性、安全性、術中の高輝度の精度の評価に焦点を当ててください。

三次元超音波針の先端光ファイバー超音波受信機と追跡

生体の屈折率-屈折率整合素子の作製

多重蛍光顕微鏡と超音波刺激を集中

超音波フェイズド アレイ システムを集中超音波ガイド高輝度のフォーカル プレーンでターゲットの精度の評価

動的界面の共焦点顕微鏡可視化のためのマイクロテンシオメータ

光ピンセットを用いた閉じ込めにおける細胞下力学の直接力測定

光ファイバー共焦点レーザー微小内視鏡検査を用いた眼内ドラッグデリバリーシステムの時空間的イン ビボ イメージング

リアルなシミュレータを使用した Monochorionic Diamniotic ツイン胎盤の胎児レーザー光凝固でモデル手術トレーニング: スキルの習得

接眼レンズの自動圧縮試験

超音波フェイズドアレイシステムを集中超音波ガイド高輝度のフォーカルプレーンでターゲットの精度の評価

光ファイバー共焦点レーザー微小内視鏡検査を用いた眼内ドラッグデリバリーシステムの時空間的インビボイメージング