Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

הדמיית זרימת דם עם דופלר אולטרה מהיר

Published: October 14, 2020 doi: 10.3791/61838
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2,3
1Translational Medicine Department, The Hospital for Sick Children, PGCRL Research Institute, 2The Labatt Family Heart Centre, Department of Pediatric, The Hospital for Sick Children, University of Toronto, 3Medical Biophysics Department, University of Toronto

Summary

פרוטוקול זה מראה כיצד ליישם הדמיית דופלר אולטרה מהיר כדי לכמת את זרימת הדם. לאחר רכישה ארוכה של 1, לנסיין יש גישה לסרט של שדה הראייה המלא עם ערכי מהירות צירית עבור כל פיקסל בכל ≈0.3 אלפיות השנייה (בהתאם לזמן האולטרסאונד של הטיסה).

Abstract

אפקט הדופלר פעמו הוא הטכניקה העיקרית המשמשת echography קלינית כדי להעריך את זרימת הדם. מיושם עם מצבי דופלר אולטרסאונד ממוקד קונבנציונאלי, יש לו כמה גבולות. ראשית, יש צורך בניתוח סינון אותות מכוון היטב כדי להבחין בין זרימת הדם לבין הרקמות הנעות שמסביב. שנית, המפעיל חייב לבחור בין לוקליזציה של זרימת הדם או לכמת אותם. בשני העשורים האחרונים, הדמיית אולטרסאונד עברה שינוי פרדיגמה עם הופעתה של אולטרסאונד אולטרה מהיר באמצעות גלים לא ממוקדים. בנוסף לעלייה של פי מאה ב-framerate (עד 10000 הרץ), טכניקה חדשה זו שוברת גם את סחר הכימות/לוקליזציה הקונבנציונלי, ומציעה מיפוי מלא של זרימת הדם של שדה הראייה וגישה בו זמנית למדידות מהירות עדינות ברמת הפיקסל הבודד (עד 50 מיקרומטר). המשכיות נתונים זו הן בממדים מרחביים והן בממדים זמניים משפרת מאוד את תהליך סינון הרקמה/דם, וכתוצאה מכך מגבירה את הרגישות למהירויות זרימת דם קטנות (עד 1 מ"מ/ים). בנייר שיטה זה, אנו שואפים להציג את הרעיון של דופלר אולטרה מהיר, כמו גם הפרמטרים העיקריים שלה. ראשית, אנו מסכמים את העקרונות הפיזיקליים של הדמיית גלים לא ממוקדת. לאחר מכן, אנו מציגים את אות דופלר עיבוד צעדים עיקריים. במיוחד, אנו מסבירים את היישום המעשי של האלגוריתמים הקריטיים להפרדת רקמות /זרימת דם ועל מיצוי מהירויות מנתונים מסוננים אלה. תיאור תיאורטי זה מתווסף לחוויות במבחנה. פנטום רקמה הטמעת תעלה עם נוזל חיקוי דם זורם הוא בתמונה עם מערכת אולטרסאונד לתכנות מחקר. מתקבלת תמונת זרימת דם ומאפייני הזרימה מוצגים עבור מספר פיקסלים בתעלה. לבסוף, סקירה של יישומי in vivo מוצע, מראה דוגמאות במספר איברים כגון קרוטידים, כליות, בלוטת התריס, המוח והלב.

Introduction

הדמיית אולטרסאונד היא אחת מטכניקות ההדמיה הנפוצות ביותר בפעילויות קליניות ומחקריות. השילוב של פליטת גלי אולטרסאונד ברקמות הביולוגיות ואחריו הקלטת ההדים האחוריים מאפשר שחזור של תמונות אנטומיות, מה שמכונה "B-Mode". שיטה זו מותאמת באופן מושלם להדמיית רקמות רכות, כגון רקמות ביולוגיות, אשר בדרך כלל מאפשרות חדירה של אולטרסאונד על פני כמה סנטימטרים, עם מהירות התפשטות של ≈1540 m/s. בהתאם לתדירות המרכזית של בדיקת אולטרסאונד, תמונות עם רזולוציה של 30 מיקרומטר עד 1 מ"מ מתקבלים. יתר על כן, ידוע כי התנועה של מקור אקוסטי, משפיע על המאפיינים הפיזיים של הגלים הקשורים. במיוחד, הקשר בין משמרות התדרים של גל ביחס למהירות המקור שלו מתואר כאפקט דופלר1, שהביטוי הפשוט ביותר שלו הוא המגרש המשתנה של סירנה של אמבולנס נע. הדמיית אולטרסאונד כבר זמן רב השתמשה באפקט פיזי זה כדי להתבונן בתאי הדם האדומים הנעים2, והיא מציעה מגוון מצבי הדמיה שכותרתם בדרך כלל "הדמיית דופלר". מצבים אלה מאפשרים הערכה של זרימת הדם ביישומים ואיברים שונים מאוד, כגון מוח, לב, כליות או עורקים היקפיים.

למרבה הפלא, רוב מערכות אולטרסאונד זמין כיום להסתמך על אותה טכנולוגיה, המכונה אולטרסאונד קונבנציונלי. העקרונות הבסיסיים הם כדלקמן: קרן אקוסטית insonifies את שדה הראייה והוא נסחף לאורך צמצם מתמר אולטרסאונד. עבור כל מיקום של הקרן, ההדים נרשמים ומומרים לשורה של התמונה הסופית. על-ידי הזזה הדרגתית של הקרן לאורך המתמר, ניתן לדמיין את כל שדה הראייה קו-שורה(איור 1, לוח שמאלי). אסטרטגיה זו הותאמה היטב לאילוצים החשמליים ולכוח המחשוב ששררו עד תחילת המאה ה-21. עם זאת, יש לו כמה חסרונות. בין אלה, framerate הסופי מוגבל כמה מאות תמונות לשנייה על ידי תהליך סריקת הקרן. במונחים של זרימת דם, זה framerate נמוך יחסית משפיע על מהירויות הזרימה המרבי שניתן לזהות, אשר מוכתב על ידי קריטריוני הדגימה של שאנון-Nyquist3. יתר על כן, דופלר קונבנציונלי חייב להתמודד עם עסקת חליפין מורכבת. על מנת להעריך את מהירות זרימת הדם באזור מסוים של עניין (ROI), כמה הדים הנובעים כי החזר על ההשקעה צריך להיות מתועד ברציפות. זה מרמז כי קרן אולטרסאונד נשמר באופן זמני במצב קבוע. ככל שהרכב ההד ארוך יותר, כך הערכת המהירות תהיה טובה יותר עבור החזר ההשקעה. עם זאת, כדי ליצור תמונה מלאה של שדה הראייה, הקרן חייבת לסרוק את המדיום. לכן, ניתן לחוש את הקונפליקט בין שני אילוצים אלה: החזקת הקרן כדי להעריך במדויק את המהירות לאורך קו אחד, או הזזת הקרן כדי ליצור תמונה. מצבי דופלר קונבנציונליים שונים (כלומר, דופלר צבע או דופלר גל דופק) ישירות לשקף את הפשרה. בדרך כלל, דופלר צבע מייצרת מפת זרימה בנאמנות נמוכה המשמשת לוקליזציה של כלי4, ואת דופלר גל הדופק משמש לאחר מכן כדי לכמת במדויק את הזרימה בכלי מזוהה בעבר5.

שתי מגבלות אלה (מסגרות נמוכות וסחר לוקליזציה / כימות) הם להתגבר עם טכניקות מתפתחות מסגרות גבוהות מאוד. בין אלה, גישת הצמצם הסינתטי6 או טכניקת השידור מרובת הקווים ניתן לצטט7. במחקר זה, אנו מתמקדים במה שמכונה שיטת אולטרסאונד Ultrafast. הציג לפני שני עשורים8,9,10, שיטה זו מסתמכת גם על פליטה / קבלה של אולטרסאונד, אבל עם דפוס שונה בתכלית. ואכן, במקום להשתמש בקרן ממוקדת סריקה, הדמיה מהירה במיוחד משתמשת בגל מטוסים או בגלים מתפצלים, המסוגלים להחדיר את שדה הראייה בפליטה אחת. בעקבות פליטה אחת, האלקטרוניקה הקשורה היא גם מסוגלת לקבל ולעבד את המספר העצום של הדים שמקורם בכל שדה הראייה. בסוף, ניתן לשחזר תמונה מתבנית פליטה/קבלה אחת11 (איור 1, לוח ימני). פליטות לא ממוקדות אלה יכולות להיות בעלות אות נמוך ליחס רעש (SNR) עקב התפשטות האנרגיה האקוסטית. ניתן לטפל בכך על-ידי פליטת מספר גלי מישור (או הסטת גלים במקורות שונים) ועל-ידי הוספת התמונות המתקבלות. שיטה זו נקראת "הרכבה קוהרנטית"12. שתי השלכות עיקריות מתעוררות. ראשית, framerate תלוי רק בזמן אולטרסאונד של הטיסה והוא יכול להגיע לערכים אופייניים מ 1 עד 10 kHz. שנית, זה מבטיח את המשכיות הנתונים הן בממדים מרחביים והן בממדים זמניים, המכונה גם קוהרנטיות מרחבית. כך נשבר סחר הלוקליזציה/כימות הקונבנציונלי. שילוב זה של framerate גבוה קוהרנטיות מרחבית יש השפעה עצומה על היכולת לזהות זרימות דם עם אולטרסאונד. בהשוואה לאולטרסאונד קונבנציונלי, אולטרסאונד אולטרה מהיר מספק אפיון מלא של זרימת הדם3. למעשה, למשתמש יש גישה לקורס זמן המהירות בכל פיקסל של התמונה, לכל משך הרכישה (בדרך כלל ≈1 s), עם ציר זמן שניתן על ידי framerate (בדרך כלל, framerate של 5 kHz עבור רזולוציה זמנית של 200 μs). קצב מסגרות גבוה זה הופך את השיטה למתאימה למגוון רחב של יישומים כגון זרימה מהירה באיברים נעים כמו תאי לב13 או שריר הלב עם מיקרו זלוף כלילית14. יתר על כן, הוכח כי קוהרנטיות spatiotemporal שלה משפר מאוד את יכולתו להפריד זרימת דם איטית מרקמות נעות ברקע, ולכן מגביר את הרגישות לזרימת מיקרו כלי דם15. יכולת זו מעניקה גישה למיקרו כלי הדם של המוח הן בבעליחיים 16 והן בבני אדם17.

לפיכך, אולטרסאונד אולטרה מהיר מתאים היטב לזרימת הדם במגוון מצבים. הוא מוגבל לרקמות ביולוגיות רכות ויהיה מושפע מאוד על ידי נוכחות של ממשקים קשים כגון עצמות, או חלל גז כגון הריאה. הכוונון של הפרמטרים הפיזיים של רצף אולטרסאונד מאפשר את המחקר של שניהם איטי (עד 1 מ"מ / s11,16) וזרימות מהירות (עד כמה m / s). קיים פשרה בין הרזולוציה המרחבית לבין עומק החדירה. בדרך כלל, רזולוציה של 50 מיקרומטר ניתן להשיג במחיר של חדירה סביב 5 מ"מ. לעומת זאת, ניתן להאריך את החדירה ל 15-20 ס"מ במחיר של רזולוציה של 1 מ"מ. ראוי לציין כי רוב הסורקים האולטרה מהירים כגון זה המשמש במאמר זה מספקים רק תמונות דו-ממדיות.

כאן, אנו מציעים פרוטוקול פשוט כדי להציג את הרעיון של הדמיה דופלר אולטרה מהיר, באמצעות סורק אולטרסאונד מחקר לתכנות דופלר פנטום מחקה כלי (עורק או וריד) מוטבע ברקמה ביולוגית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הגדרת הכנת פנטום דופלר (איור 2A)

  1. חבר את המשאבה peristaltic, מאגר נוזל חיקוי הדם, dampener הדופק ואת פנטום זרימת דופלר עם צינורות הפלסטיק.
  2. בחר את התעלה בקוטר 4 מ"מ.
  3. לתכנת את המשאבה לפלוט 720 מ"ל / דקה של נוזל עבור 0.3 s ולאחר מכן להוציא 50 מ"ל / דקה עבור 0.7 s כדי לחקות בהתאמה את שלבי לב סיסול ו diastole
  4. הפעל את המשאבה בעדינות לנער את הצינורות כדי לגרש בועות אוויר פוטנציאליות.
    הערה: המפעיל יכול לבחור קוטר תעלה שונה וקצב משאבה שונה, אך יצטרך להבטיח כי רצף אולטרסאונד הוא מהיר מספיק כדי לרכוש את מהירויות הזרימה המהירות ביותר. Eq. 3 שהוצג מאוחר יותר יכול לעזור לעצב את הרצף.

2. הגדרת סורק אולטרסאונד אולטרה מהיר (איור 2A)

  1. חבר את סורק המחקר המותאם במיוחד למחשב המארח באמצעות הקישור המהיר PCI.
  2. שנה את מתאם המתמר בסורק האולטרסאונד כך שיתאים למחבר הבדיקה ולאחר מכן חבר את הגשוש.
  3. הפעל את Matlab והפעל את רישיון סורק האולטרסאונד.
    הערה: סעיף זה והבא מניחים במרומז את השימוש במערכת Verasonics Vantage.

3. תכנות רצף אולטראסאונד

  1. באמצעות סקריפטים דוגמאות, לעצב קונבנציונאלי ממוקד "B-Mode" (כלומר, echography) רצף שישמש עבור מיקום בדיקה.
    1. הגדר את עומק ההדמיה ל- 50 מ"מ.
    2. הגדר את עומק המוקד ל-35 מ"מ.
  2. באמצעות סקריפטים דוגמאות, לעצב רצף אולטרסאונד אולטרה מהיר.
    1. הגדר את עומק ההדמיה ל- 50 מ"מ.
    2. תוכנית 3 מוטה גלי מטוס ב [-3,0,3] מעלות.
    3. הגדר את תדר החזרה על הדופק (PRF) ל- 12 קילו-הרץ.
    4. השתמש 4 חצי מחזורים עבור waveform אולטרסאונד, עם תדירות מרכז בהתאם לבדיקה בשימוש. תדר מרכזי של 5.2 מגה-הרץ נמצא כאן.
    5. הגדר את משך הזמן הכולל כ- 1 s.

4. מיקום בדיקה ורכישת נתונים

  1. החל ג'ל אולטרסאונד על העדשה של החללית.
  2. מניחים את החללית על הפנטום ומשגרים את רצף האולטרסאונד B-Mode.
  3. אתר את תעלת העניין. הנוזל נראה כהה יותר מהרקמה שמסביב. הנח את הגשוש בתצוגה אורך.
  4. באופן ידני לשמור על החללית בעמדה של עניין.
  5. סיים את רצף B-Mode והפעל את סקריפט רכישת הרצף האולטרה מהיר ביותר.

5. שחזור תמונה (איור 2B)

  1. לאחר סיום הרצף, שמור את הנתונים הגולמיים (הנקראים גם נתוני תדר רדיו, "RF").
  2. הפעל את סקריפט שחזור התמונה באמצעות תוכנת ברירת המחדל של מערכת אולטרסאונד. בסוף התהליך, יש ליצור את מטריצת הנתונים IQ.
    הערה: הדים אולטרסאונד נרשמים על כל אלמנט של החללית עבור כל פליטה / קבלה, ולאחר מכן מאוחסנים במטריצת נתוני RF. שחזור התמונה החיל את חוק העיכוב המתאים על כל ערוץ ותוצאות מה שנקרא "IQ" (In-Phase/Quadrature) מטריצה. מטריצת ה- IQ המורכבת כוללת שלושה ממדים: שניים עבור רווח (עומק תמונה ורוחב) ואחד לזמן

6. סינון עומס (איור 2C)

הערה: לשלבים 6-7, עיין בתסריט Matlab המופיע בחומר המשלים.

  1. שינוי צורה של מטריצת IQ תלת-ממדית (רווח x רווח x זמן) למטריצת Casorati דו-ממדית (זמן x של רווח), הנקראת IQr.
  2. חשב את פירוק הערך הייחודי15 של IQr (Eq. 1).
    Equation 1 כיכר 1
  3. לחשב את מטריצת הדמיון המרחבי C באמצעות וקטורים יחידים מרחביים U כפי שתואר על ידי Baranger et al.18 (II, D), ולזהות את גבולות תת החלל בדם N.
  4. השתמש בחיתוך N זה כדי לסנן את נתוני מנת המשכל כמתואר ב- Demene et al.15 (II,C).

7. מדידות תצוגה חזותית ומהירות זרימה (איור 2C)

  1. מיפוי דופלר כוח מחשוב על ידי שילוב המעטפה של הנתונים מסוננים IQt לאורך הממד הטמפורלי (Eq. 2). הקואורדינטות התלת-ממדיות z, x ו- t הן בהתאמה העומק, הרוחב והממד הזמני, nt ומספר המסגרות שנרכשו.
    Equation 2 כיכר 2
  2. הצג את מפת PD בסולם לוגריתם. להגדרה של הטווח הדינמי, חשבו את ה-PD הממוצע באזור שמחוץ לתעלה והשתמשו בערך זה ב-dB כגבול התחתון של הטווח הדינמי. טווח דינמי טיפוסי הוא [-30, 0] dB.
  3. הגדר אזור עניין מעגלי (ROI) בתמונה, המכיל 1 עד 30 פיקסלים.
  4. ממוצע אות IQf מעל הפיקסלים של החזר על ההשקעה, כדי להשיג וקטור של נקודות Equation 3 זמן nt.
  5. חשב והצג את הספקטרוגרמה של דופלר של Equation 4 , באמצעות הגודל הריבועי של המרת פורייה לזמן קצר (STFT).
    1. הגדר את חלון STFT לחלון 60 דגימות האן.
    2. הגדר את החפיפה STFT ל- 90% מאורך החלון.
  6. שכב את התדר המרכזי בכל נקודת זמן של הספקטרוגרמה.
  7. המר את ערכי התדר f למהירויות ציריות בדם vz באמצעות נוסחת דופלר (Eq. 3). c0 היא מהירות הקול במדיום ו- fTW התדר המרכזי של צורת הגל המועברת של אולטרסאונד (כאן 5.2 MHz).
    Equation 5 כיכר 3

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איכות הרכישה ולאחר העיבוד מוערכת תחילה על ידי בדיקה ויזואלית. צורת התעלה חייבת להיות גלויה בבירור בתמונת הדופלר החזקה, ואזור הרקמה חייב להיראות כהה. אם אות דופלר הכוח אינו מוגבל לתעלה, זה יכול להיות כי גם צעד מסנן העומס השתבש (סף SVD הוא נמוך מדי), או החללית חוותה תנועה חזקה במהלך הרכישה.

לאחר בדיקה חזותית, המחקר של הספקטרוגרמה בתוך התעלה יכול לספק מידע טוב על ההצלחה או הכישלון של הניסוי. הספקטרוגרמה צריכה להיות חד צדדית (כל הערכים מעל או מתחת לאפסים). אם הספקטרוגרמה דו-צדדית, קיימת כינוי. במקרה זה, או שהזרימה מהירה מדי, או שה- PRF נמוך מדי.

אם קריטריוני איכות אלה מתקיימים, ניתן לחלץ את מהירויות הדם מכל החזר על ההשקעה בתמונה (איור 2C). כוונון גודל ההחזר על ההשקעה מאפשר פחות או יותר ממוצע של האותות. מהלך זמן המהירות של החזר על ההשקעה נתון יכול לשמש לניתוח מרובה כגון חישוב מדדי התנגדות19, הערכת מתח גזירה בקיר20, כימות היפרמיה תגובתי14 ועוד הרבה יותר21,22.

איור 3לספירה מציג את הטרנספוזיציה של פרוטוקול זה ליישומי vivo שונים. בפרט, רכישת המוח הניאונט (איור 3B) מציגה כלי שיט בעלי מאפייני זרימה שונים מאוד, מנוצות קליפת המוח הקטנות והעורקים ועד לעורק הפריקלוסאלי הראשי. איור 3D ממחיש את היכולת של דופלר אולטרה מהיר לחלץ אות זרימת דם באיבר נע מאוד כגון שריר הלב.

Figure 1
איור 1: הדמיית אולטראסאונד קונבנציונלית ואולטרה-מהירות. אגדה: (שמאל) הדמיה קונבנציונלית עם פליטה ממוקדת. (מימין) אני לא יכול לעשות את זה. הדמיה אולטרה-מהיר עם פליטת גל מטוסים. (עיבוד מווילמיין ואח'22). לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: זרימת עבודה של פרוטוקול דופלר מהיר במיוחד. (A)התקנה ניסיונית הכוללת את הסורק המותאם במיוחד ואת פנטום הזרימה של דופלר. המלבן המקווקו על הפנטום מציין את טביעת הרגל של מתמר האולטרסאונד. (ב)שרשרת רכישת נתונים אוטומטית ולאחר עיבוד מופעלות על ידי לחיצה פשוטה על לחצן המשתמש. (C)(למעלה) מיצוי של אות זרימת הדם ודיכוי רעשי הרקע של הרקמה ("מסנן העומס") והצגת ספקטרוגרמה הדם בכל החזר על ההשקעה בשדה הראייה. (למטה) אני לא יכול לעשות את זה. ספקטרוגרמה המציגה את התפלגות מהירות הדם בהחזר ההשקעה בנקודות זמן שונות. המהירות הממוצעת בהו"ר נעוצה בירוק מקווקו. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: תמונות של פאוור דופלר. רכישות דופלר אולטרה מהיר על מספר איברים. (A) כליה מושתלת למבוגרים, (B) מבט שגיטלי על מוח ניאונט אנושי, (C) בלוטת התריס הבוגרת, (D) כלי דם כלילית תוך רחמית בניסויי חזירים בחזה פתוח, (E) כוח כיווני תלת מימדי דופלר של עורק הראש והווריד הצווארי של מתנדב בריא (כחול = זרימה יורדת, אדום = זרימה עולה). מספר ספקטרוגרמות מופקות עבור החזר על ההשקעה שונה. (A-C מעובדים מ Baranger ואח'18, D מותאם מ Maresca ואח'14, E מותאם מ Provost ואח'23). עבור כל רכישה, התדירות המרכזית, מספר הזוויות, PRF והעומק המרבי כוונו בהתאם למצב. הטווח הדינמי של לוח A, B ו- C הוא בהתאמה -27, -35 ו- -30 dB. זה לא סופק עבור פאנל D ו- E. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

חומרים משלימים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קבצים אלה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מספר וריאציות אפשריות סביב המסגרת הראשית של פרוטוקול זה.

חששות חומרה
אם המשתמש מספק את המחשב המארח המותאם אישית שלו, לוח האם ומארז המחשב חייבים לציין חריץ PCI Express זמין. המעבד חייב להיות גם מספיק נתיבי PCIe כדי לטפל בכל ההתקנים.

בחירת בדיקה
גשוש אולטרסאונד (גם בשם מתמר) נבחר על פי הרזולוציה המרחבית הדרושה לגיאומטריה של שדה הראייה. ככל שהתדירות המרכזית של הגשוש גבוהה יותר, כך הרזולוציה המרחבית טובה יותר אך ככל עומק ההדמיה קצר יותר. בדיקות ליניאריות, מעוגלות או מדורגות מספקות שדה ראייה של צורות סקטור מלבני, מעגלי וסקטורים שטוחים בהתאמה.

תלות בזווית
דופלר אולטרה מהיר חולק את אותו אילוץ כמו דופלר קונבנציונלי לגבי התלות בזווית זרימת הדם. ואכן, אפקט דופלר הבסיסי מאפשר רק זיהוי תנועה בכיוון הצירי, כלומר לכיוון משטח הגשוש, או הרחק מהגשוש. לפיכך, רק המרכיבים הציריים של וקטורים מהירות פיזור הדם נמדדים למעשה. ניתן לשחזר את המהירות האמיתית על ידי ציון ידני של הזווית המקומית של זרימת הדם עם הציר האנכי, אך לא תמיד ניתן להעריך זווית זו כראוי. במקרה קיצוני שבו הזרימה היא אורתוגונלית לחלוטין לציר העומק האנכי, לא ניתן להשתמש באפקט דופלר כדי למדוד באופן אמין את מהירות הדם. טכניקות מתקדמות יותר יכולות למדוד תחזיות מרובות של וקטורים מהירות על מספר צירים ובסופו של דבר יכול לשחזר את וקטור המהירות האמיתי. גישות עצמאיות זווית אלה נקראות הדמיית זרימה וקטורית8,9,10,24.

החלקה
לפרוטוקול המתואר בכתב יד זה יש מספר מגבלות. ראשית, משפט הדגימה שאנון-Nyquist קובע כי התדר מדיד המרבי באות שנדגם לא יכול לחרוג ממחצית framerate. עם 3 זוויות ו-PRF של 12 קילו-הרץ, קצב המסגרות הוא 4 קילו-הרץ. כתוצאה מכך, אנו יכולים להפיק Eq. 3 כי המהירות הצירית המרבית לגילוי היא 30 ס"מ / s. בהתחשב בזווית התעלה בפנטום, קצב מסגרות זה מאפשר זיהוי של זרימה עם מהירויות של עד 96 ס"מ / ים. מהירויות מעל סף זה יופיעו בדופלר ספקטרוגרמה. עבור ההתקנה שהוצגה, מהירויות השיא נעו בין 95 ס"מ ל -8 ס"מ למטר.

מיטוב מסנן עומס
הדמיה של זרימת הדם מסתמכת מאוד על היכולת להפריד את אותות הדם מרקע הרקמה הנע לאט. בהתאם לנשימה או תנועת היד של הסונוגרף, הרקמה יכולה לנוע במהירויות דומות לזרימת דם איטית. לכן, השלב שנקרא "מסנן עומס" נועד לבטל אותות רקמות. היכולת לזהות זרימות דם איטיות מסתמכת רק על היעילות של שלב מסנן העומס הזה. הוכח כי מינוף קוהרנטיות spatiotemporal של אולטרסאונד אולטרה מהיר מאוד מגדיל את התוצאה של מסננים אלה. מסנן פירוק הערך הייחודי המתואר על-ידי Demene et al.15 נמצא בשימוש נרחב. אופטימיזציה של שיטהזו 18 או אלגוריתמים מורכבים יותר כגון SVD25בסדר גבוה , מרדף רכיב ראשי26, ניתוח רכיב עצמאי27 או פירוק בדרגה נמוכה אחרת28 יכול לשפר את איכות הנתונים המסוננים. ראוי לציין כי במערך במבחנה המוצג, המקור היחיד של עומס הוא תנועת היד של המפעיל. In vivo, גורמים רבים אחרים כגון נשימה ו pulsatility העורקים עשויים לגרום לעומס כי הוא דומיננטי יותר. במקרים אלה, מסנן SVD מתקדם המתואר בפרוטוקול זה הופך להיות בעל חשיבות עליונה.

פרשנות ספקטרוגרמה
ספקטרוגרמות הן הכלי הנפוץ ביותר לחקר מאפייני זרימת הדם באולטרסאונד דופלר קונבנציונלי ואולטרה מהיר כאחד. עבור כל נקודת זמן, הספקטרוגרמה מציגה בגווני אפור את התפלגות המהירות בתוך ההחזר על ההשקעה הנחשב. זרימות מורכבות כגון זרימות לא למינאריות ירחיבו באופן טבעי ספקטרום זה. עם זאת, קשר זה בין הרחבה ספקטרלית לבין התפלגות מהירות נכון רק במידה מסוימת. הוכח על ידי מספר מחקרים כי רוחב הספקטרוגרמה, המכונה גם הרחבה ספקטרלית, אכן קשור להתפלגות המהירות בהחזר ההשקעה אך גם למספר פרמטרים גיאומטריים של מערכת ההדמיה (רוחב מערך, זוויות וכו ')29,30,31. לכן, בעוד הספקטרוגרמה של זרימה למינארית והומוגנית יציבה צריכה להיות קו דק ושטוח, היא מראה בפועל רוחב מסוים שאינו משקף את התפלגות המהירות, אלא את הגיאומטריה של מערך ההדמיה. מלכודת פוטנציאלית זו עלולה להוביל למדידות מהירות שגויות. מומלץ לשקול את המהירות הממוצעת בתוך ההחזר על ההשקעה(איור 1C מקווקו קו ירוק) כדי למנוע השפעות אלה32.

רכישות תלת-ממדיות
הפרוטוקול הנוכחי מומש באמצעות מתמר מערך ליניארי סטנדרטי, וכתוצאה מכך תמונות דו-ממדיות. עם זאת, רכישות תלת-ממדיות יכולות להתבצע, בין אם על ידי סריקה מכנית של המדיום באמצעות בדיקה ליניארית ממונעת16, או באמצעות מערכי עמודות שורה33 או מערכי מטריצה34. החסרונות לשיטות חדשות אלה הם עלויות המחשוב הגבוהות, ועבור בדיקות מטריצה, הצורך בסורקים ספציפיים. דוגמה לרכישת תלת-ממד מוצגת באיור 3E.

בעיות בטיחות
רוב סורק אולטרסאונד אולטרה מהיר המחקר אינם מאושרים לשימוש קליני. באחריותו של הנסיין לעמוד בתקנים השוררים בארצם, הן בתחום הבטיחות החשמלית והן מבחינת התפוקה האקוסטית. עבור האחרון, תקני ה-FDA35 ו IEC 62127-1 תקן בינלאומי36 יש לקחת בחשבון.

מסקנה
במאמר זה, הצענו פרוטוקול סטנדרטי כדי לדמיין את זרימת הדם עם דופלר אולטרה מהיר. על ידי תרגול על פנטום זרימה מכויל, המפעיל יכול בסופו של דבר לבדוק את הדיוק של המדידות שלהם. הפרוטוקול מאפשר למשתמש לתכנן ולבצע רכישת אולטרסאונד אולטרה מהיר באמצעות תרכובת גל מטוס. בסופו של דבר, מסגרת שלאחר העיבוד מתוארת ומספקת את הכלי הראשון להצגת פרופיל זרימת הדם בכל אזור מעניין של התמונה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגוד אינטרסים

Acknowledgments

ברצוננו להודות לריה שאה על הגהתה ועצתה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Blood-mimicking fluid CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA 069DTF
Doppler flow phantom CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA ATS523A
Matlab MathWorks, Natick, Massachusetts, United States
Peristaltic pump / Doppler flow pump CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA 769 Include tubings and pulse dampener
Transducer adpter Verasonics, Kirkland, Washington, USA UTA 408-GE
Ultrafast ultrasound research scanner Verasonics, Kirkland, Washington, USA Vantage 256
Ultrasound probe/transducer GE Healthcare GE 9L-D

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Doppler, C. Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels. , (2020).
  2. Bonnefous, O., Pesqué, P. Time domain formulation of pulse-Doppler ultrasound and blood velocity estimation by cross correlation. Ultrasonic Imaging. 8 (2), 73-85 (2004).
  3. Bercoff, J., et al. Ultrafast compound doppler imaging: Providing full blood flow characterization. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 58 (1), 134-147 (2011).
  4. Evans, D. H., Jensen, J. A., Nielsen, M. B. Ultrasonic colour Doppler imaging. Interface Focus. 1 (4), 490-502 (2011).
  5. Nuffer, Z., Rupasov, A., Bekal, N., Murtha, J., Bhatt, S. Spectral Doppler ultrasound of peripheral arteries: a pictorial review. Clinical Imaging. 46, 91-97 (2017).
  6. Jensen, J. A., Nikolov, S. I., Gammelmark, K. L., Pedersen, M. H. Synthetic aperture ultrasound imaging. Ultrasonics. 44, SUPPL (2006).
  7. Tong, L., Ramalli, A., Jasaityte, R., Tortoli, P., D'Hooge, J. Multi-transmit beam forming for fast cardiac imaging-experimental validation and in vivo application. IEEE Transactions on Medical Imaging. 33 (6), 1205-1219 (2014).
  8. Tanter, M., Bercoff, J., Sandrin, L., Fink, M. Ultrafast compound imaging for 2-D motion vector estimation: application to transient elastography. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 49 (10), 1363-1374 (2002).
  9. Udesen, J., et al. High frame-rate blood vector velocity imaging using plane waves: Simulations and preliminary experiments. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 55 (8), 1729-1743 (2008).
  10. Hansen, K. L., Udesen, J., Gran, F., Jensen, J. A., Bachmann Nielsen, M. In-vivo examples of flow patterns with the fast vector velocity ultrasound method. Ultraschall in der Medizin. 30 (5), Stuttgart, Germany. 471-477 (2009).
  11. Tanter, M., Fink, M. Ultrafast imaging in biomedical ultrasound. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 61 (1), 102-119 (2014).
  12. Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., Fink, M. Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 56 (3), 489-506 (2009).
  13. Papadacci, C., Pernot, M., Couade, M., Fink, M., Tanter, M. High-contrast ultrafast imaging of the heart. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 61 (2), 288-301 (2014).
  14. Maresca, D., et al. Noninvasive Imaging of the Coronary Vasculature Using Ultrafast Ultrasound. JACC: Cardiovascular Imaging. 11 (6), 798-808 (2018).
  15. Demené, C., et al. Spatiotemporal Clutter Filtering of Ultrafast Ultrasound Data Highly Increases Doppler and fUltrasound Sensitivity. IEEE Transactions on Medical Imaging. 34 (11), 2271-2285 (2015).
  16. Demené, C., et al. 4D microvascular imaging based on ultrafast Doppler tomography. NeuroImage. 127, 472-483 (2016).
  17. Demené, C., et al. Ultrafast Doppler reveals the mapping of cerebral vascular resistivity in neonates. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 34 (6), 1009-1017 (2014).
  18. Baranger, J., Arnal, B., Perren, F., Baud, O., Tanter, M., Demene, C. Adaptive Spatiotemporal SVD Clutter Filtering for Ultrafast Doppler Imaging Using Similarity of Spatial Singular Vectors. IEEE Transactions on Medical Imaging. 37 (7), 1574-1586 (2018).
  19. Demené, C., et al. Ultrafast Doppler Reveals the Mapping of Cerebral Vascular Resistivity in Neonates. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 34 (6), 1009-1017 (2014).
  20. Goudot, G., et al. Wall Shear Stress Measurement by Ultrafast Vector Flow Imaging for Carotid Stenosis. Ultraschall in der Medizin - European Journal of Ultrasound. , (2019).
  21. Demené, C., Mairesse, J., Baranger, J., Tanter, M., Baud, O. Ultrafast Doppler for neonatal brain imaging. NeuroImage. 185, 851-856 (2019).
  22. Villemain, O., et al. Ultrafast Ultrasound Imaging in Pediatric and Adult Cardiology. JACC: Cardiovascular Imaging. , (2019).
  23. Provost, J., Papadacci, C., Demene, C., Gennisson, J. L., Tanter, M., Pernot, M. 3-D ultrafast doppler imaging applied to the noninvasive mapping of blood vessels in Vivo. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 62 (8), 1467-1472 (2015).
  24. Osmanski, B. F., Montaldo, G., Fink, M., Tanter, M. In vivo out-of-plane Doppler imaging based on ultrafast plane wave imaging. IEEE International Ultrasonics Symposium, IUS. 62 (4), 76-79 (2013).
  25. Kim, M. W., Zhu, Y., Hedhli, J., Dobrucki, L. W., Insana, M. F. Multi-dimensional Clutter Filter Optimization for Ultrasonic Perfusion Imaging. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 65 (11), 2020-2029 (2018).
  26. Chau, G., Li, Y. L., Jakovljevic, M., Dahl, J., Rodr, P. Wall Clutter Removal in Doppler Ultrasound using Principal Component Pursuit. , (2018).
  27. Tierney, J., Baker, J., Brown, D., Wilkes, D., Byram, B. Independent Component-Based Spatiotemporal Clutter Filtering for Slow Flow Ultrasound. IEEE Transactions on Medical Imaging. , 1-1 (2019).
  28. Zhang, N., Rivaz, H. Clutter Suppression in Ultrasound: Performance Evaluation and Review of Low-Rank and Sparse Matrix Decomposition Methods. BioMedical Engineering Online. 19, 37 (2020).
  29. Guidi, G., Licciardello, C., Falteri, S. Intrinsic spectral broadening (ISB) in ultrasound Doppler as a combination of transit time and local geometrical broadening. Ultrasound in Medicine and Biology. 26 (5), 853-862 (2000).
  30. Cloutier, G., Shung, K. K., Durand, L. G. Experimental Evaluation of Intrinsic and Nonstationary Ultrasonic Doppler Spectral Broadening in Steady and Pulsatile Flow Loop Models. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 40 (6), 786-795 (1993).
  31. Winkler, A. J., Wu, J. Correction of intrinsic spectral broadening errors in doppler peak velocity measurements made with phased sector and linear array transducers. Ultrasound in Medicine and Biology. 21 (8), 1029-1035 (1995).
  32. Osmanski, B. F., Bercoff, J., Montaldo, G., Loupas, T., Fink, M., Tanter, M. Cancellation of Doppler intrinsic spectral broadening using ultrafast Doppler imaging. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 61 (8), 1396-1408 (2014).
  33. Sauvage, J., et al. A large aperture row column addressed probe for in vivo 4D ultrafast doppler ultrasound imaging. Physics in Medicine and Biology. 63 (21), (2018).
  34. Correia, M., Provost, J., Tanter, M., Pernot, M. 4D ultrafast ultrasound flow imaging: in vivo quantification of arterial volumetric flow rate in a single heartbeat. Physics in Medicine and Biology. 61 (23), 48-61 (2016).
  35. Center for Devices and Radiological Health. FDA Information for Manufacturers Seeking Marketing Clearance of Diagnostic Ultrasound Systems and Transducers. Center for Devices and Radiological Health. , FDA-2017-D-5372 (2008).
  36. I, IEC. IEC 62127-1 - Measurement and characterization of medical ultrasonic fields up to 40 MHz. IEC. , 61010-61011 (2013).

Tags

הנדסה ביולוגית גיליון 164 אולטראסאונד אולטרה מהיר הדמיה רפואית זרימת דם דופלר framerate גבוה מסנן עומס גל מטוס הנדסה ביו רפואית
הדמיית זרימת דם עם דופלר אולטרה מהיר
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Baranger, J., Mertens, L.,… More

Baranger, J., Mertens, L., Villemain, O. Blood Flow Imaging with Ultrafast Doppler. J. Vis. Exp. (164), e61838, doi:10.3791/61838 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter