이 작품은 혁신적인 Wellcome 신뢰 (No. 건강 상 엔지니어링에 의해 지원 되었다 WT101957)과 공학 및 물리 과학 연구 위원회 (EPSRC) (제 NS/A000027/1), Wellcome/EPSRC 센터 수상 [203145Z/16/Z & NS/A000050/1] 시작 권한을 부여 하 여 유럽 연구 위원회 (부여 번호에서 ERC-2012-StG, 제안 310970 MOPHIM), 그리고 EPSRC 처음 부여 (제 EP/J010952/1). A.L.D.는 UCL/UCLH NIHR 종합 생물 의학 연구 센터에 의해 지원 됩니다. 저자는 vivo에서 실험 그들의 귀중 한 도움에 대 한 왕 수의 대학 직원에 게 감사.

1. 시스템 하드웨어
<ol><li>임상 사용자 정의 초음파 이미징 프로브<ol>
<li>중앙 및 측면 배열을 포함 하는 사용자 정의 프로브에 변환기 요소의 레이아웃에 대 한 초안 디자인을 만듭니다. 이 감지기의 제조 업체에 디자인을 제출 합니다.</li>
		<li>제조 업체에서 피드백, 트랜스듀서 주파수 특성을 형상 (그림 2) 상세를 포함 하는 사용자 정의 프로브에 대 한 자세한 디자인을 만듭니다. 참고: 일반적으로, 사용자 정의 프로브 제조 업체 수 있습니다 디자인 전자 시스템, 프로브 하우징 및 초음파 이미징 시스템의 특정 형식에 대 한 호환성에 대 한 프로브 커넥터. 제조 업체는 128 요소 집합 이미징 시스템 초음파에 의해 해결 되었습니다 확인 하는 작업 모드 스위치 (하드웨어)를 포함할 수도 있습니다. 이미징 모드에서 중앙 배열 제시 된다; 추적 모드에서 측면 배열 해결 됩니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>추적 바늘<ol>
<li>선단부에서 Fabry Pérot 캐비티와 단일 모드 광섬유를 구성 하는 광섬유 초음파 고래의 선택 (외경 (OD): 150 µ m). 참고: 넘나드는 선단부에서 Fabry Pérot 캐비티와 단일 모드 광섬유를 구성 하는 (OD: 150 µ m), 상업적으로 사용할 수 있습니다. 선단부에 인접, 통신에 자주 사용 되는 광섬유는 클 래 딩 층 (OD: 125 µ m), 버퍼 레이어 (OD: 250 µ m), 그리고 자 켓 (OD: 900 µ m).</li>
		<li>메스를 사용 하 여, 부분적으로 고래의 바늘 캐 뉼 러 안에 들어갈 수 있는 때까지 버퍼 레이어를 노출 하는 원심 끝 가까이 섬유 광섬유 고래의의 길이 따라 900 마이크로미터 재킷을 제거 합니다. 참고: 기계적 견고성에 대 한 유용 보호 버퍼 레이어/Luer 커넥터 근은 섬유 광섬유 케이블의 섹션에 재킷을 유지 합니다. 재킷, 바늘 캐 뉼 러에 의해 보호 됩니다 전에 제거 되는 섬유의 연약한 부분 처리 처리.</li>
		<li>가로로 단계로 수동 가로 번역, 의료 바늘을 부착 하 고 스테레오 현미경, 현미경 수평으로 정렬 하 고 바늘에 수직의 광 축과 바늘 끝을 시각화. 필요한 경우, 회전 축에 대 한 바늘 바늘의 경사 표면을 현미경으로 볼 수 있도록.</li>
		<li>현미경에 비추어 바늘의 선단부 삽입 Tuohy Borst 수급 어댑터의 정 맥을 통해 고 바늘의 루어 커넥터를 통해 광섬유 초음파 수신기는 고래의의 감지 영역 될 때까지 그냥 바늘의 경사 표면에 인접. 이 단계에서 바늘에 안 빼 어댑터를 연결 합니다. 고래의 바늘 내의 그것의 운동을 피하기 위해 번역 단계 (polyimide 테이프 작품 잘)에 부착</li>
		<li>장치 내에 바늘의 움직임을 피하기 위해 polyimide 테이프로 번역 단계에 고래의 부착</li>
		<li>세로로 부착 20 microliter 아래쪽으로 직면 하는 팁과 수직 번역 단계를 플라스틱 및 둘 다 수평 및 수직 번역 단계를 사용 하 여 위치는 micropipette 팁 그것은 인접 한 광섬유 고래의 약 0.5 m m까지 선단부에 감지 영역에 인접.</li>
		<li>micropipette의 근 위 끝에 광학 접착제의 방울을 놓고 광섬유 초음파 수신기 micropipette 팁에서 직접적인 경로 허용 하도록 바늘을 조정 합니다.</li>
		<li>다음 10 mL 주사기를 사용 하 여 점차적으로 지역 감지 또는 캐 뉼 러, 경색에 접착제를 적용 하지 않으려면 돌보는 광섬유 초음파 수신기에는 원심에서 접착제를 분배 하는 micropipette의 근 위 끝에 압력을 적용 하 고 광학 접착제 치료 될 때까지 바늘 팁 자외선 빛을 밝히는.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 시스템 통합
<ol><li>그것의 광학 콘솔에는 고래의 연결 합니다. 참고: 받은 압력에 비례 하는 아날로그 전압 신호를 제공 하는 광학 장치는 사용할 수 있는 상업적으로.</li>
	<li>사용자 정의 초음파 이미징 프로브 초음파 콘솔에 연결 합니다.</li>
	<li>10,14를 추적 하기 위한 인터리브 인수 B 형태 초음파 이미지와 코딩 된 초음파 펄스를 수행 합니다. B 형태 초음파 이미지 수집, 수행 펄스-에코 송수신 중앙 배열 요소 시퀀스. 측면 배열 요소 또는 중앙 배열 요소 액세스 여부 제어 하드웨어 스위치를 사용 합니다.</li>
	<li>데이터 수집 (DAQ) 카드와 고래의 신호 및 초음파 전송의 시작에 따라 타이밍 신호 동시에 디지털화 합니다.</li>
	<li>프로세스와 펄스-에코에서 획득 한 신호 디스플레이 전송-받을 B 형태 초음파 이미지를 시퀀스. 또한, 처리 하 고 사용자 정의 프로브를 기준으로 광섬유 초음파 수신기 지역화 고래의 신호를 표시. 후자의 작업에 대 한 알고리즘 쌰 외에 의해 설명 되어 있습니다. 12 , 14
</li>
	<li>바늘 팁 위치 B 형태 초음파 이미지에 오버레이 합니다. 3D 추적 2D 초음파 이미지 디스플레이에 정보를 표시 하려면 (측면 및 깊이 좌표) 바늘 팁의 위치 십자가;로 나타날 수 있다 밖으로의 비행기 거리와는 이미징의 비행기, 크기와 색이이 십자가의 각각.</li>
</ol>3. 전 임상 유효성 검사
<ol><li>초음파 이미징 프로브에 스위치를 사용 하 여 동작 모드를 선택 합니다.</li>
	<li>사용자 정의 초음파 이미징 프로브를 초음파 젤을 추가 합니다.</li>
	<li>추가 물 양수를 모방 하 여 태아 초음파 팬텀을 준비 합니다.</li>
	<li>B 형태 초음파 이미징 사용 하 여 삽입 대상으로 팬텀에 양수를 식별 합니다. 참고: 삽입 대상 컨텍스트;에 따라 달라 집니다. 그것은 임상 절차, 또는 조직 영역을 모방 하는 이미징 팬텀에 지정 된 위치 중 진단 또는 치료에 대 한 조직의 특정 영역을 포함할 수 있습니다.</li>
	<li>삽입 대상 쪽으로 바늘을 삽입 합니다. 작동 모드 (이미징 및 추적) 번갈아 삽입, 사용자 정의 프로브에 스위치를 사용 하 여 지속적으로.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Chin, K., Perlas, A., Chan, V., Brull, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Needle+visualization+in+ultrasound-guided+regional+anesthesia:+challenges+and+solutions.">Needle visualization in ultrasound-guided regional anesthesia: challenges and solutions.</a> Reg. Anesth. Pain Med. 33 (6), 532-544 (2008).</li><li>Sridhar, A. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Image-guided+robotic+interventions+for+prostate+cancer.">Image-guided robotic interventions for prostate cancer.</a> Nat. Rev. Urol. 10, 452-462 (2013).</li><li>Daffos, F., Capella-Pavlovsky, M., Forestier, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fetal+blood+sampling+during+pregnancy+with+use+of+a+needle+guided+by+ultrasound:+A+study+of+606+consecutive+cases.">Fetal blood sampling during pregnancy with use of a needle guided by ultrasound: A study of 606 consecutive cases.</a> Am. J. Obstet. Gynecol. 153 (6), 655-660 (1985).</li><li>Hebard, S., Graham, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Echogenic+technology+can+improve+needle+visibility+during+ultrasound-guided+regional+anesthesia.">Echogenic technology can improve needle visibility during ultrasound-guided regional anesthesia.</a> Reg. Anesth. Pain Med. 36 (2), 185-189 (2011).</li><li>Abayazid, M., Vrooijink, G. J., Patil, S., Alterovitz, R., Misra, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+evaluation+of+ultrasound-guided+3D+needle+steering+in+biological+tissue.">Experimental evaluation of ultrasound-guided 3D needle steering in biological tissue.</a> Int. J. Comput. Assist. Radiol. Surg. 9 (6), 931-939 (2014).</li><li>Nikolov, S. I., Jorgen, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Precision+of+needle+tip+localization+using+a+receiver+in+the+needle.">Precision of needle tip localization using a receiver in the needle.</a> IEEE Int Ultrason Symp. , (2008).</li><li>Mung, J., Vignon, F., Jain, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+non-disruptive+technology+for+robust+3D+tool+tracking+for+ultrasound-guided+interventions.">A non-disruptive technology for robust 3D tool tracking for ultrasound-guided interventions.</a> MICCAI 2011. , 153-160 (2011).</li><li>Guo, X., Tavakoli, B., Kang, H. J., Kang, J. U., Etienne-Cummings, R., Boctor, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+active+ultrasound+element+for+catheter+tracking.">Photoacoustic active ultrasound element for catheter tracking.</a> Proc. SPIE. 8943, 89435M (2014).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-plane+ultrasonic+needle+tracking+using+a+fiber-optic+hydrophone.">In-plane ultrasonic needle tracking using a fiber-optic hydrophone.</a> Med. Phys. 42 (10), 5983-5991 (2015).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coded+excitation+ultrasonic+needle+tracking:+An+in+vivo+study.">Coded excitation ultrasonic needle tracking: An in vivo study.</a> Med. Phys. 43 (7), 4065-4073 (2016).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interventional+photoacoustic+imaging+of+the+human+placenta+with+ultrasonic+tracking+for+minimally+invasive+fetal+surgeries.">Interventional photoacoustic imaging of the human placenta with ultrasonic tracking for minimally invasive fetal surgeries.</a> MICCAI 2015. , 371-378 (2015).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+Ultrasonic+Needle+Tracking+with+a+1.5D+Transducer+Array+for+Guidance+of+Fetal+Interventions.">3D Ultrasonic Needle Tracking with a 1.5D Transducer Array for Guidance of Fetal Interventions.</a> MICCAI 2016. , 353-361 (2016).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber+optic+photoacoustic+probe+with+ultrasonic+tracking+for+guiding+minimally+invasive+procedures.">Fiber optic photoacoustic probe with ultrasonic tracking for guiding minimally invasive procedures.</a> Proc. SPIE. 9539 95390K. 9539, 95390K (2015).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Looking+beyond+the+imaging+plane:+3D+needle+tracking+with+a+linear+array+ultrasound+probe.">Looking beyond the imaging plane: 3D needle tracking with a linear array ultrasound probe.</a> Sci. Rep. 7, 3674-3682 (2017).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+Needle+Tracking+with+a+Fibre-Optic+Ultrasound+Transmitter+for+Guidance+of+Minimally+Invasive+Fetal+Surgery.">Ultrasonic Needle Tracking with a Fibre-Optic Ultrasound Transmitter for Guidance of Minimally Invasive Fetal Surgery.</a> MICCAI 2017. , 637-645 (2017).</li><li>Morris, P., Hurrell, A., Shaw, A., Zhang, E., Beard, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Fabry-P&#233;rot+fiber-optic+ultrasonic+hydrophone+for+the+simultaneous+measurement+of+temperature+and+acoustic+pressure.">A Fabry-P&#233;rot fiber-optic ultrasonic hydrophone for the simultaneous measurement of temperature and acoustic pressure.</a> J. Acoust. Soc. Am. 125 (6), 3611-3622 (2009).</li><li>Zhang, E. Z., Beard, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characteristics+of+optimized+fiber-optic+ultrasound+receivers+for+minimally+invasive+photoacoustic+detection.">Characteristics of optimized fiber-optic ultrasound receivers for minimally invasive photoacoustic detection.</a> Proc. SPIE. 9323, 932311 (2015).</li><li>Desjardins, A. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epidural+needle+with+embedded+optical+fibers+for+spectroscopic+differentiation+of+tissue:+ex+vivo+feasibility+study.">Epidural needle with embedded optical fibers for spectroscopic differentiation of tissue: ex vivo feasibility study.</a> Biomed. Opt. Exp. 2 (6), 1452-1461 (2011).</li><li>Desjardins, A. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Needle+stylet+with+integrated+optical+fibers+for+spectroscopic+contrast+during+peripheral+nerve+blocks.">Needle stylet with integrated optical fibers for spectroscopic contrast during peripheral nerve blocks.</a> J. Biomed. Opt. 16 (7), 077004 (2011).</li><li>Rathmell, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+the+Epidural+Space+with+Optical+Spectroscopy:+An+In+Vivo+Swine+Study.">Identification of the Epidural Space with Optical Spectroscopy: An In Vivo Swine Study.</a> Anesthesiology. 113 (6), 1406-1418 (2010).</li><li>Balthasar, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+Detection+of+Vascular+Penetration+during+Nerve+Blocks:+An+in+vivo+Human.">Optical Detection of Vascular Penetration during Nerve Blocks: An in vivo Human.</a> Reg. Anesth. Pain Man. 37 (1), 3-7 (2012).</li><li>Brynolf, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+Detection+of+the+Brachial+Plexus+for+Peripheral+Nerve+Blocks:+An+in+vivo+Swine+Study.">Optical Detection of the Brachial Plexus for Peripheral Nerve Blocks: An in vivo Swine Study.</a> Reg. Anesth. Pain Man. 36 (4), 350-357 (2011).</li><li>Soto-Astorga, R. P., West, S. J., Putnis, S., Hebden, J. C., Desjardins, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epidural+catheter+with+integrated+light+guides+for+spectroscopic+tissue+characterization.">Epidural catheter with integrated light guides for spectroscopic tissue characterization.</a> Biomed. Opt. Express. 4 (11), 2619-2628 (2013).</li><li>Anderson, T. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Raman+Spectroscopy+Differentiates+Each+Tissue+From+the+Skin+to+the+Spinal+Cord:+A+Novel+Method+for+Epidural+Needle+Placement?.">Raman Spectroscopy Differentiates Each Tissue From the Skin to the Spinal Cord: A Novel Method for Epidural Needle Placement?.</a> Anesthesiology. 125 (4), 793-804 (2016).</li><li>Xie, Y., Bonin, T., L&#246;ffler, S., H&#252;ttmann, G., Tronnier, V., Hofmann, U. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coronal+in+vivo+forward-imaging+of+rat+brain+morphology+with+an+ultra-small+optical+coherence+tomography+fiber+probe.">Coronal in vivo forward-imaging of rat brain morphology with an ultra-small optical coherence tomography fiber probe.</a> Phys. Med. &amp; Biol. 58 (3), 555-568 (2013).</li><li>Xie, Y., Harsan, L. A., Bienert, T., Kirch, R. D., Von Elverfeldt, D., Hofmann, U. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Qualitative+and+quantitative+evaluation+of+in+vivo+SD-OCT+measurement+of+rat+brain.">Qualitative and quantitative evaluation of in vivo SD-OCT measurement of rat brain.</a> Biomed. Opt. Express. 8 (2), 593-607 (2017).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+characteristics+of+an+interventional+multispectral+photoacoustic+imaging+system+for+guiding+minimally+invasive+procedures.">Performance characteristics of an interventional multispectral photoacoustic imaging system for guiding minimally invasive procedures.</a> J. Biomed. Opt. 20 (8), 086005 (2015).</li><li>Mari, J. -. M., Xia, W., West, S. J., Desjardins, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interventional+multispectral+photoacoustic+imaging+with+a+clinical+ultrasound+probe+for+discriminating+nerves+and+tendons:+an+ex+vivo+pilot+study.">Interventional multispectral photoacoustic imaging with a clinical ultrasound probe for discriminating nerves and tendons: an ex vivo pilot study.</a> J. Biomed. Opt. 20 (11), 110503 (2015).</li><li>Xia, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+interventional+multispectral+photoacoustic+imaging+platform+for+the+guidance+of+minimally+invasive+procedures.">An interventional multispectral photoacoustic imaging platform for the guidance of minimally invasive procedures.</a> Proc. SPIE. 9539, 95390D (2015).</li><li>Xia, W., West, S. J., Nikitichev, D. I., Ourselin, S., Beard, P. C., Desjardins, A. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interventional+multispectral+photoacoustic+imaging+with+a+clinical+linear+array+ultrasound+probe+for+guiding+nerve+blocks.">Interventional multispectral photoacoustic imaging with a clinical linear array ultrasound probe for guiding nerve blocks.</a> Proc. SPIE. 9708, 97080C1-97080C6 (2016).</li><li>Gandhi, N., Allard, M., Kim, S., Kazanzides, P., Bell, M. A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic-based+approach+to+surgical+guidance+performed+with+and+without+a+da+Vinci+robot.">Photoacoustic-based approach to surgical guidance performed with and without a da Vinci robot.</a> J. Biomed. Opt. 22 (12), 121606 (2017).</li><li>Bell, M. A. L., Kuo, N. P., Song, D. Y., Kang, J. U., Boctor, E. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+visualization+of+prostate+brachytherapy+seeds+with+photoacoustic+imaging.">In vivo visualization of prostate brachytherapy seeds with photoacoustic imaging.</a> J. Biomed. Opt. 19 (12), 126011 (2017).</li><li>Piras, D., Grijsen, C., Sch&#252;tte, P., Steenbergen, W., Manohar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoacoustic+needle:+minimally+invasive+guidance+to+biopsy.">Photoacoustic needle: minimally invasive guidance to biopsy.</a> J. Biomed. Opt. 18 (7), 070502 (2013).</li><li>David, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clinically+applicable+procedure+for+gene+delivery+to+fetal+gut+by+ultrasound-guided+gastric+injection:+toward+prenatal+prevention+of+early-onset+intestinal+diseases.">Clinically applicable procedure for gene delivery to fetal gut by ultrasound-guided gastric injection: toward prenatal prevention of early-onset intestinal diseases.</a> Hum. Gene Ther. 17 (7), 767-779 (2006).</li></ol>

저자 아무 충돌 다는 것을 선언 합니다.

여기에 우리가 보여 어떻게 3D 이미징 프로브 사용자 정의 초음파 초음파 추적을 수행할 수 있습니다 및 광섬유 고래의 바늘 통합. 임상 번역의 관점에서이 연구에서 개발 된 사용자 지정 검색의 몇 가지 측면은 매력적 이다. 그것의 소형 사이즈는 잘 부피가 3D 이미징 프로브를 기동 시키기가 어려운는 겨드랑이 같은 작은 공간에서 사용에 적합 합니다. 여기에 제시 된 3 차원 초음파 추적의 구현에의 한 제한 수동 전환 했다는 이미징 및 추적 모드 사이의 대체 하는 데 필요한입니다. 미래에 구현,이 스위칭 할 수 있었다 초음파 이미징 시스템에 의해 직접.
광섬유 고래의 추적 초음파 바늘에 적합 합니다. 소형화와 유연성의 그것의 높은 학위의 통합 측면 소형화와 의료 기기에 대 한 허용. 그것의 광범위 한 주파수 대역폭16 다른 임상 초음파 프로브와의 호환성에 대 한 수 있습니다. 또한, 그것의 omnidirectionality16 다양 한 각도에 삽입 되는 바늘을 추적 할 수 있습니다. 마지막으로, EM 필드와 금속 개체에서 소요의 면역은 임상에 더 적합 한 설정 그들 추적 달리 합니다. 초음파 검출 감도 향상을 달성 하기 위해 렌즈-오목 Fabry Pérot 구멍17미래 사용 될 수 있습니다. 궁극적으로, 초음파 추적 다른 modalities 반사율 분광학18,,1920,,2122, 등 단일 광 섬유에 결합 될 수 있습니다. 23, 라만 분광학24, 광학 일관성 단층 촬영25,26, 그리고 photoacoustic27,,2829,30 이미징 , 31 , 32 , 33.
초음파 추적은 초음파 이미징와 공유 하는 제한이 있습니다. 첫째, 조직 heterogeneities는 부정적인 영향을 미칠 초음파 추적; 조직의 소리의 속도 있는 공간 변이 이전 연구14수치 시뮬레이션으로 같이 추적 정확도 줄일 것 이다. 두 번째, 해 부 구조는 초음파 파도, 반사와 같은 뼈 구조 또는 공기 구멍, 아마 초음파 추적와 호환. 미래 연구, 3D 회전 C 팔 계산 x 선 단층 촬영, 같은 다른 이미지 형식으로 얻은 바늘 팁 위치 vivo에서다른 유형의 조직에 3 차원 초음파 추적의 정확도 평가 하기 위해 사용 될 수 있습니다.
초음파 이미지에 최근 전진에도 불구 하 고 정확한 추적 및이 양식 적임의 지도 하에 의료 기기의 효율적인 조작, 심지어 전문가 실무자에 대 한 도전 남아 있다. 외부 초음파 프로브와 의료 기기 간의 활성 통신 같이, 수 향상 시킬 절차의 안전 및 효율성. 이러한 개선 수 크게 중재 통증 관리에 대 한 척추 삽입 등의 여러 임상 상황에서 x 선 fluoroscopy 대신 초음파 이미징의 도입을 촉진 한다. 이 연구에서 개발 된 시스템 초소형 초음파 프로브와 3 차원 초음파 추적 및 2D 초음파 이미징 있습니다. 그것은 현재 임상 워크플로 내에서 바늘 팁의 정확한 지역화를 제공 함으로써 초음파 유도 최소한 침략 적 절차를 향상 시킬 수 있습니다.

침략 적 의료 기기에 대 한 정확 하 고 효율적인 지역화는 매우 많은 초음파 유도 최소한 침략 적 절차에 원한다. 이 절차는 지역 마 취 및 중재 통증 관리1, 중재 종양학2, 태아 의학3등 임상 상황에서 발생 했습니다. 의료 기기 팁의 시각화는 초음파 이미징으로 전하실 수 있습니다. 비행기에 삽입 하는 동안 바늘 들은 가난한 가시성 삽입 각도 가파른 있습니다. 또한, 평면으로 삽입 하는 동안 바늘 축 수 수 잘못 해석 바늘 팁으로. 바늘 팁 초음파 보이지 않습니다, 그것은 중요 한 조직 구조를 손상 하 여 합병증 발생할 수 있습니다.
많은 방법이 초음파 이미징 동안 의료 기기를 지역화를 사용할 수 있지만 현재 임상 워크플로와 호환 되는 믿을 수 있는 한 높은 원하는. Echogenic 표면 가파른 각도에서 비행기 삽입4동안 가시성을 개선 하기 위해 사용할 수 있습니다. 밖으로의 비행기 삽입 중 전자기 추적 시스템에 사용할 수 있지만 전자기장 방해 심각 하 게 그들의 정확성을 저하 될 수 있습니다. 3D 초음파 이미징 때 그들은 체액5에 의해 포위 된다 심장 및 태아의 일부 절차에 의료 기기의 가시성을 높일 수 있습니다. 그러나, 3 차원 초음파 영상 사용 되지 않습니다 널리 바늘 지도, 일부 이미지 해석와 관련 된 복잡성 때문.
초음파 추적은 의료 기기 표시6,7,,89,10,11,12 개선을 위한 큰 잠재력을 보이고 있다 ,,1314. 초음파 추적, 의료 기기 포함 된 초음파 센서 나 송신기 적극적으로 외부 초음파 이미징 프로브와 통신 하는. 의료 기기 위치 측정된 초음파 시간-의-항공편 포함 된 초음파 센서/전송기 및 다른 트랜스듀서 요소 프로브 사이에서 확인할 수 있습니다. 날짜 하려면, 초음파 추적에 비행기 관리를 크게 그것의 임상 사용을 제한 했다 제한 되었습니다.
여기, 사용자 정의 초음파 이미징 프로브로 어떻게 3D 초음파 추적의 데모를 수행할 수 있습니다와 광섬유 고래의 바늘의 정 맥 내 부착 (그림 1)를 제공 됩니다. 이 사용자 정의 프로브, 저자에 의해 설계 되었고 외부 제조, 트랜스듀서 요소 중앙 배열 및 4 개의 측면 배열 구성 되어 있습니다. 2D 초음파 이미징; 중앙 배열 사용 측면 배열 3d 바늘 팁 광섬유 초음파 수신기와 함께 콘서트에 추적. 그것은 광섬유 초음파 수신기를 배치 하 고 바늘 캐 뉼 러 내 부착 수 어떻게, 얼마나 시스템의 추적 정확도 벤치탑에 측정 하 고 어떻게 임상 수 유효성 검사를 수행할 수 있습니다.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ultrasound imaging system</td>
			<td>BK ultrasound (ultrasonix)</td>
			<td>SonixMDP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Custom ultrasound probe</td>
			<td>Vermon</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spinal needle&#160;</td>
			<td>Terumo</td>
			<td></td>
			<td>20 gauge</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fibre-optic hydrophone</td>
			<td>Precision Acoustics</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fibre-optic stripping tool&#160;</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>FTS4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereo microscope&#160;</td>
			<td>Leica Microsystems&#160;</td>
			<td>Z16APO</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tuohy-Borst Sidearm adapter&#160;</td>
			<td>Cook Medical</td>
			<td>PTBYC-RA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette&#160;&#160;</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td></td>
			<td>100 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette tip&#160;</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td></td>
			<td>20 &#181;L</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultraviolet optical adhesive&#160;</td>
			<td>Norland Products</td>
			<td>NOA81</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>Terumo</td>
			<td></td>
			<td>&#160;10 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultraviolet light source&#160;</td>
			<td>Norland Products</td>
			<td>Opticure 4 Light Gun</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acquisiton card&#160;</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>USB-5132</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Articulated arm&#160;</td>
			<td>CIVCO</td>
			<td>811-002</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thiopental sodium&#160;</td>
			<td>Novartis Animal Health UK&#160;</td>
			<td></td>
			<td>Thiovet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>Merial Animal Health</td>
			<td></td>
			<td>Isoflurane-Vet</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ocular lubricant</td>
			<td>Allergan, Marlow, UK</td>
			<td></td>
			<td>Lacri-Lube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Skin lubricant</td>
			<td>Adams Healthcare, Garforth, UK</td>
			<td></td>
			<td>Hibitane 2%</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

three-dimensional ultrasonic needle tip tracking with a fiber-optic ultrasound receiver

초음파 지도 최소한 침략 적 절차를 위해 자주 사용 되 하지만 의료 기기를 시각화 종종 어려운이 이미징 적임. 시각화는 분실, 의료 기기 외상 중요 한 조직 구조를 발생할 수 있습니다. 여기, 초음파 이미지 유도 절차 동안 바늘 팁을 추적 하는 방법을 제시 합니다. 이 방법은 외부 초음파 프로브 초음파 통신할 의료 바늘의 정 맥 내 부착은 광섬유 초음파 수신기의 사용을 포함 한다. 이 사용자 정의 프로브 중앙 트랜스듀서 요소 배열 측면 요소 배열 구성 되어 있습니다. 기존의 2 차원 (2D) B 형태 초음파 이미징 중앙 배열에 의해 제공, 뿐만 아니라 추적 하는 3 차원 (3D) 바늘 팁 측면 배열에 의해 제공 됩니다. B 형태 초음파 이미징, 전자 빔 형성 된 표준 transmit-receive 시퀀스 수행 됩니다. 초음파 추적에 대 한 4 측면 배열에서 Golay 코딩 초음파 전송 고래의 센서에 의해 수신 되 고 이후 수신된 신호는 디코딩된 초음파 영상에 관하여 바늘 팁의 공간 위치를 식별할 수 프로브입니다. 이 방법의 예비 유효성 검사로 삽입 바늘/고래의 쌍의 임상 실제 상황에서 수행 했다. 이 소설 초음파 이미징/추적 방법 현재 임상 워크플로와 호환 이며 비행기에서와 밖으로의 비행기 바늘 삽입 하는 동안 신뢰할 수 있는 장치 추적을 제공 합니다.

동물 실험은 영국 홈 오피스 규정 및 작업의 동물 (과학적인 절차) 행위 (1986)에 대 한 지침에 따라 실시 했다. 양 동물 복지;에 관련 된 영국 본사 지침에 따라 지 내게 되었다 실험은 아래는 홈 오피스 프로젝트 라이센스 70/7408 "태아 치료 줄기 세포와 유전자 이동" 권리를 실시 했다. 양 실험에 대 한 윤리 승인 대학 대학 런던, 영국 및 동물 복지 윤리 검토 보드 왕 수의 대학에 의해 제공 되었다.
장소에서 윤리 승인, 임신 양 전 임상 vivo에서 유효성 검사를 위해 사용 되었다. 2 주 동안 자 호르몬 좌 약을 받은 후 암 했다 시간 배 란 유도 성관계 데이비드 외에 설명 된 대로. 34 에 130 일 임신의 한 임신 암은 굶 어 하룻밤 임신 동반자 암으로. 암은 thiopental 나트륨 20 mg k g-1 와 유도 정 맥 전신 마 취 수술 그리고 호흡을 통해 삽 관 법 후 산소에 2-2.5 %isoflurane 유지 했다. 올바른 삽 관 법은 양측 폐에 귀를 기울이는 확인 됐다. 마 취는 각 막 반사의 평가 의해 확인 되었다. 산소 포화 혀 또는 귀에 채도 모니터를 사용 하 여 지속적으로 측정 했다. 와 암 세미-recundancy에 그녀의 뒤에 배치 되었다 nasogastric 튜브 위 내용물의 통과 쉽게 하기 위해 전달 되었습니다. 눈 윤 활 유는 그들을 계속 촉촉한 눈에 적용 되었습니다. 털의 클리핑, 후 암의 복 부 피부 소독 제와 하 찮은 두 번 했다. 살 균 커플링 젤 복 부에 적용 된 그리고 초음파 검사 암34 의 임신 나이 확인 하 고 태아 거짓말을 평가 하기 위해 사용 되었다. 수술의 끝에 동물 고통 없이 살 thiopental 나트륨의 과다를 사용 하 여 (40 밀리 그램 킬로그램-1 정 맥).
개업 (A.L.D.)를 대상으로 탯을 식별. 바늘은 자 궁 구멍에 삽입 하 고 팁 15 m m의 아웃-의-비행기 거리와 38 m m (그림 3)의 깊이 달성 하는 궤적을 따라 추적 했다. 기존의 바이 폴라 구동 (그림 3B)를 기준으로 7.5-fold 증가와 SNR을 향상 Golay 코딩. 3D 추적된 바늘 팁 위치 폭 비행기 밖으로 거리와 색상 이미징 (단계 2.6)의 지표 (그림 3C)을 나타내는 십자가 사용 하 여 2D 초음파 이미지에 중첩 되었다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig1.jpg"> 그림 1: 시스템 개요. 초음파 (미국) 이미징/추적 조사 2D 미국 이미징 및 3D 바늘 추적 할 수 있습니다. 추적 제어를 제공 하는 미국 스캐너에 의해 구동 요소 전송. 스위치의 두 가지 작동 모드 사이의 대체 트랜스듀서 요소 전자 선택 허용: 중앙 배열 이미징 및 측면 배열 추적. 20 G 바늘의 루멘 내 배치 섬유 광섬유 고래의 (FOH) 초음파 수신기 측면 배열에서 전송 받습니다. T/r: 전송/수신; LT: 선 트리거; FT: 프레임 트리거; PC: 개인용 컴퓨터; 데이터 수집: 데이터 수집 카드입니다. 이 그림 및 캡션 외. W. 쌰에서 허가로 재현 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig2.jpg"> 그림 2: 사용자 정의 초음파 프로브 이미징의 트랜스듀서 요소 레이아웃. 128 요소와 음향 렌즈 중앙 배열 이미지 수 있습니다. 행 마다 32 요소와 총에서 128 요소 측면 배열 3D 바늘 추적 가능 이 그림 및 캡션 외. W. 쌰에서 허가로 재현 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57207/57207fig3.jpg"> 그림 3: vivo에서추적 3d 삽입 바늘. (A) 추적 바늘 팁 위치 (서클: P1-P6) 임신 양의 자 궁 캐비티에 삽입 하는 동안 취득. (B) 추적 신호의 신호 대 잡음 비율 (SNRs) (영상 비행기: X = 0). 중앙 배열 인수 되었다 2D 미국 이미지에 추적 된 위치 3의 (C) 오버레이. 각 십자가의 엔드-투-엔드 길이 아웃-의-비행기 거리;에 대응 색상 (빨간색/노란색) 이미징 비행기의 측에 대응 했다. 주요 해 부 기능 설명 (오른쪽)으로 묘사 된다. S: 피부; PF: 경 피 적인 지방; UW: 자 궁 벽; 어: 양수; UC: 탯; 아버지: 태아 복 부입니다. 이 그림 및 캡션 외. W. 쌰에서 허가로 재현 14. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57207/57207fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>

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

3 차원 초음파 바늘 팁 광섬유 초음파 수신기와 함께 추적

침략 적 의료 기기에 대 한 정확 하 고 효율적인 시각화 많은 초음파 유도 최소한 침략 적 절차에서 매우 중요 하다. 여기, 초음파 이미징 프로브 상대적인 바늘 팁의 공간 위치를 지역화 하는 방법을 제시 합니다.

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

three-dimensional-ultrasonic-needle-tip-tracking-with-fiber-optic

Research

JoVE Journal

Engineering

10.3K 조회수.  University College London. 침략 적 의료 기기에 대 한 정확 하 고 효율적인 시각화 많은 초음파 유도 최소한 침략 적 절차에서 매우 중요 하다. 여기, 초음파 이미징 프로브 상대적인 바늘 팁의 공간 위치를 지역화 하는 방법을 제시 합니다.

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

Synthesis of Phase-shift Nanoemulsions with Narrow Size Distributions for Acoustic Droplet Vaporization and Bubble-enhanced Ultrasound-mediated Ablation

High-intensity focused ultrasound (HIFU) is used clinically to thermally ablate tumors. To enhance localized heating and improve thermal ablation in tumors, lipid-coated perfluorocarbon droplets have been developed which can be vaporized by HIFU. The vasculature in many tumors is abnormally leaky due to their rapid growth, and nanoparticles are able to penetrate the fenestrations and passively accumulate within tumors. Thus, controlling the size of the droplets can result in better accumulation within tumors. In this report, the preparation of stable droplets in a phase-shift nanoemulsion (PSNE) with a narrow size distribution is described. PSNE were synthesized by sonicating a lipid solution in the presence of liquid perfluorocarbon. A narrow size distribution was obtained by extruding the PSNE multiple times using filters with pore sizes of 100 or 200 nm. The size distribution was measured over a 7-day period using dynamic light scattering. Polyacrylamide hydrogels containing PSNE were prepared for in vitro experiments. PSNE droplets in the hydrogels were vaporized with ultrasound and the resulting bubbles enhanced localized heating. Vaporized PSNE enables more rapid heating and also reduces the ultrasound intensity needed for thermal ablation. Thus, PSNE is expected to enhance thermal ablation in tumors, potentially improving therapeutic outcomes of HIFU-mediated thermal ablation treatments.

Phase-shift nanoemulsions (PSNE) can be vaporized using high intensity focused ultrasound to enhance localized heating and improve thermal ablation in tumors. In this report, the preparation of stable PSNE with a narrow size distribution is described. Furthermore, the impact of vaporized PSNE on ultrasound-mediated ablation is demonstrated in tissue-mimicking phantoms.

음향 액적 기화 및 버블이 강화 된 초음파로 인한 박리에 대한 좁은 크기 분포와 위상 - 교대 Nanoemulsions의 합성

High-intensity  focused ultrasound (HIFU) is used clinically to thermally ablate tumors. To  enhance localized heating and improve thermal ablation in ...

연구

공학

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses triangulation between matching points in two views of the same scene at different angles to compute depth.&#160;However, unlike a stereo-based method, DFP uses a digital video projector to replace one of the cameras1. The projector rapidly projects a known sinusoidal pattern onto the subject, and the surface of the subject distorts these patterns in the camera&#8217;s field of view. Three distorted patterns (fringe images) from the camera can be used to compute the depth using triangulation.
Unlike other 3D measurement methods, DFP techniques lead to systems that tend to be faster, lower in equipment cost, more flexible, and easier to develop.&#160;DFP systems can also achieve the same measurement resolution as the camera.&#160;For this reason, DFP and other digital structured light techniques have recently been the focus of intense research (as summarized in1-5). Taking advantage of DFP, the graphics processing unit, and optimized algorithms, we have developed a system capable of 30&#160;Hz 3D video data acquisition, reconstruction, and display for over 300,000 measurement points per frame6,7.&#160;Binary defocusing DFP methods can achieve even greater speeds8.
Diverse applications can benefit from DFP techniques. Our collaborators have used our systems for facial function analysis9, facial animation10, cardiac mechanics studies11, and fluid surface measurements, but many other potential applications exist.&#160;This video will teach the fundamentals of DFP techniques and illustrate the design and operation of a binary defocusing DFP system.

This video describes the fundamentals of digital fringe projection techniques, which provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;It also demonstrates the design and operation of a high-speed binary defocusing system based on these techniques.

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Process of Making Three-dimensional Microstructures using Vaporization of a Sacrificial Component

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material fabrication techniques are able to mimic the complexity of these structures while maintaining scalability. The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is able to do so. This process uses sacrificial fibers as a template to form hollow, cylindrical microchannels embedded within a matrix. Tin (II) oxalate (SnOx) is embedded within poly(lactic) acid (PLA) fibers which facilitates the use of this process. The SnOx catalyzes the depolymerization of the PLA fibers at lower temperatures. The lactic acid monomers are gaseous at these temperatures and can be removed from the embedded matrix at temperatures that do not damage the matrix. Here we show a method for aligning these fibers using micromachined plates and a tensioning device to create complex patterns of three-dimensionally arrayed microchannels. The process allows the exploration of virtually any arrangement of fiber topologies and structures.

The Vaporization of a Sacrificial Component (VaSC) process is used to fabricate microvascular structures. This procedure uses sacrificial poly(lactic) acid fibers to form hollow microchannels with precise 3D geometric positioning provided by laser micromachined guide plates.

희생 구성 요소의 증발을 사용하여 세 가지 차원 미세 만들기의 과정

Vascular structures in natural systems are able to provide high mass transport through high surface areas and optimized structure. Few synthetic material ...

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently more difficult than measuring the flow of a transparent fluid, since optical methods are not applicable. Ultrasound can be used to measure the velocity of an opaque fluid, not only at isolated points, but at hundreds or thousands of points arrayed along lines, with good temporal resolution. When applied to a liquid metal electrode, ultrasound velocimetry involves additional challenges: high temperature, chemical activity, and electrical conductivity. Here we describe the experimental apparatus and methods that overcome these challenges and allow the measurement of flow in a liquid metal electrode, as it conducts current, at operating temperature. Temperature is regulated within &#177;2 &#176;C using a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller that powers a custom-built furnace. Chemical activity is managed by choosing vessel materials carefully and enclosing the experimental setup in an argon-filled glovebox. Finally, unintended electrical paths are carefully prevented. An automated system logs control settings and experimental measurements, using hardware trigger signals to synchronize devices. This apparatus and these methods can produce measurements that are impossible with other techniques, and allow optimization and control of electrochemical technologies like liquid metal batteries.

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

액체 금속 전극의 초음파 속도 측정

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at a frequency above the acoustic range (20 kHz). As a solid-state technology, ultrasonic lubrication can be used where conventional lubricants are unfeasible or undesirable. Further, ultrasonic lubrication allows for electrical modulation of the effective friction coefficient between two sliding surfaces. This property enables adaptive systems that modify their frictional state and associated dynamic response as the operating conditions change. Surface wear can also be reduced through ultrasonic lubrication. We developed a protocol to investigate the dependence of friction force reduction and wear reduction on the linear sliding velocity between ultrasonically lubricated surfaces. A pin-on-disc tribometer was built which differs from commercial units in that a piezoelectric stack is used to vibrate the pin at 22 kHz normal to the rotating disc surface. Friction and wear metrics including effective friction force, volume loss, and surface roughness are measured without and with ultrasonic vibrations at a constant pressure of 1 to 4 MPa and three different sliding velocities: 20.3, 40.6, and 87 mm/sec. An optical profilometer is utilized to characterize the wear surfaces. The effective friction force is reduced by 62% at 20.3 mm/sec. Consistently with existing theories for ultrasonic lubrication, the percent reduction in friction force diminishes with increasing speed, down to 29% friction force reduction at 87 mm/sec. Wear reduction remains essentially constant (49%) at the three speeds considered.

We present a protocol for using a piezoelectrically-assisted tribometer and optical profilometer to investigate the dependence of ultrasonic wear and friction reduction on linear velocity, contact pressure, and surface properties.

초음파 윤활에 대한 실험은 압전 이용한 마찰 계 및 광학 프로파일로 사용

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data acquisition times with high spatial resolution. In the electronics industry there is serious interest in performing failure analysis on 3D microelectronic packages, many which contain multiple levels of high-density interconnections. Often in tomography there is a trade-off between image resolution and the volume of a sample that can be imaged. This inverse relationship limits the usefulness of conventional computed tomography (CT) systems since a microelectronic package is often large in cross sectional area 100-3,600 mm2, but has important features on the micron scale. The micro-tomography beamline at the Advanced Light Source (ALS), in Berkeley, CA USA, has a setup which is adaptable and can be tailored to a sample&#39;s properties, i.e., density, thickness, etc., with a maximum allowable cross-section of 36 x 36 mm. This setup also has the option of being either monochromatic in the energy range ~7-43 keV or operating with maximum flux in white light mode using a polychromatic beam. Presented here are details of the experimental steps taken to image an entire 16 x 16 mm system within a package, in order to obtain 3D images of the system with a spatial resolution of 8.7 &#181;m all within a scan time of less than 3 min. Also shown are results from packages scanned in different orientations and a sectioned package for higher resolution imaging. In contrast a conventional CT system would take hours to record data with potentially poorer resolution. Indeed, the ratio of field-of-view to throughput time is much higher when using the synchrotron radiation tomography setup. The description below of the experimental setup can be implemented and adapted for use with many other multi-materials.

For this study synchrotron radiation micro-tomography, a non-destructive three-dimensional imaging technique, is employed to investigate an entire microelectronic package with a cross-sectional area of 16 x 16 mm. Due to the synchrotron&#39;s high flux and brightness the sample was imaged in just 3 min&#160;with an 8.7 &#181;m spatial resolution.

멀티 스케일 3 차원 마이크로 전자 패키지를 조사하는 방사광 Microtomography 사용

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic recording of image sequences. The basic components, features, constraints and optimization tips of a 3D-PTV topology consisting of a high-speed camera with a four-view splitter are described and discussed in this article. The technique is applied to the intermediate flow field (5 &#60;x/d &#60;25) of a circular jet at Re &#8776; 7,000. Lagrangian flow features and turbulence quantities in an Eulerian frame are estimated around ten diameters downstream of the jet origin and at various radial distances from the jet core. Lagrangian properties include trajectory, velocity and acceleration of selected particles as well as curvature of the flow path, which are obtained from the Frenet-Serret equation. Estimation of the 3D velocity and turbulence fields around the jet core axis at a cross-plane located at ten diameters downstream of the jet is compared with literature, and the power spectrum of the large-scale streamwise velocity motions is obtained at various radial distances from the jet core.

A three-dimensional particle tracking velocimetry (3D-PTV) system based on a high-speed camera with a four-view splitter is described here. The technique is applied to a jet flow from a circular pipe in the vicinity of ten diameters downstream at Reynolds number Re &#8776; 7,000.

3D-PTV is a quantitative flow measurement technique that aims to track the Lagrangian paths of a set of particles in three dimensions using stereoscopic ...

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists chiefly of velocity and temperature readings, both ideally having high spatial and temporal resolution to facilitate rigorous code validation. While high resolution velocity data is readily obtained through optical measurement techniques such as particle image velocimetry, it has proven difficult to obtain temperature data with similar resolution. Traditional sensors such as thermocouples cannot fill this role, but the recent development of distributed sensing based on Rayleigh scattering and swept-wave interferometry offers resolution suitable for CFD code validation work. Thousands of temperature measurements can be generated along a single thin optical fiber at hundreds of Hertz. Sensors function over large temperature ranges and within opaque fluids where optical techniques are unsuitable. But this type of sensor is sensitive to strain and humidity as well as temperature and so accuracy is affected by handling, vibration, and shifts in relative humidity. Such behavior is quite unlike traditional sensors and so unconventional installation and operating procedures are necessary to ensure accurate measurements. This paper demonstrates implementation of a Rayleigh scattering-type distributed temperature sensor in a thermal mixing experiment involving two air jets at 25 and 45 &#176;C. We present criteria to guide selection of optical fiber for the sensor and describe installation setup for a jet mixing experiment. We illustrate sensor baselining, which links readings to an absolute temperature standard, and discuss practical issues such as errors due to flow-induced vibration. This material can aid those interested in temperature measurements having high data density and bandwidth for fluid dynamics experiments and similar applications. We highlight pitfalls specific to these sensors for consideration in experiment design and operation.

We demonstrate use of a fiber optic distributed sensor for mapping the temperature field of mixing air jets. The Rayleigh scattering-based sensor generates thousands of data points along a single fiber to provide exceptional spatial resolution that is unattainable with traditional sensors such as thermocouples.

고해상도 온도 필드 매핑을위한 광섬유 분산 센서

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

Ultrasonic Fatigue Testing in the Tension-Compression Mode

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on exposing the specimen to longitudinal vibrations on its resonance frequency close to 20 kHz. With use of this method, it is possible to significantly decrease the time required for the test, when compared to conventional testing devices usually working at frequencies under 200 Hz. It is also used to simulate loading of material during operation in high speed conditions, such as those experienced by components of jet engines or car turbo pumps. It is necessary to operate only in the high and ultra-high cycle region, due to the possibility of extremely high deformation rates, which can have a significant influence on the test results. Specimen shape and dimensions have to be carefully selected and calculated to fulfill the resonance condition of the ultrasonic system; thus, it is not possible to test the full components or specimens of arbitrary shape. Before each test, it is necessary to harmonize the specimen with the frequency of the ultrasonic system to compensate for deviations of the real shape from the ideal one. It is not possible to run a test until a total fracture of the specimen, since the test is automatically terminated after initiation and propagation of the crack to a certain length, when the stiffness of the system changes enough to shift the system out of the resonance frequency. This manuscript describes the process of evaluation of materials' fatigue properties at high-frequency ultrasonic fatigue loading with use of mechanical resonance at a frequency close to 20 kHz. The protocol includes a detailed description of all steps required for a correct test, including specimen design, stress calculation, harmonizing with the resonance frequency, performing the test, and final static fracture.

A protocol for ultrasonic fatigue testing in the high and ultra-high cycle region in axial tension-compression loading mode.

Ultrasonic fatigue testing is one of a few methods which allow investigating fatigue properties in the ultra-high cycle region. The method is based on ...

A Pipette-Tip Based Method for Seeding Cells to Droplet Microfluidic Platforms

Amongst various microfluidic platform designs frequently used for cellular analysis, droplet-microfluidics provides a robust tool for isolating and analyzing cells at the single-cell level by eliminating the influence of external factors on the cellular microenvironment. Encapsulation of cells in droplets is dictated by the Poisson distribution as a function of the number of cells present in each droplet and the average number of cells per volume of droplet. Primary cells, especially immune cells, or clinical specimens can be scarce and loss-less encapsulation of cells remains challenging. In this paper, we present a new methodology that uses pipette-tips to load cells to droplet-based microfluidic devices without the significant loss of cells. With various cell types , we demonstrate efficient cell encapsulation in droplets that closely corresponds to the encapsulation efficiency predicted by the Poisson distribution. Our method ensures loss-less loading of cells to microfluidic platforms and can be easily adapted for downstream single cell analysis, e.g., to decode cellular interactions between different cell types.

This article presents a protocol for seeding scarce population of cells using pipette-tips to droplet microfluidic devices in order to provide higher encapsulation efficiency of cells in droplets.

피 펫 팁 드롭릿 미세 플랫폼 시드 셀에 대 한 메서드를 기반으로

Amongst various microfluidic platform designs frequently used for cellular analysis, droplet-microfluidics provides a robust tool for isolating and ...