رسم خرائط الإجهاد الكمي لتمدد الأوعية الدموية الأبهري البطني
p class = "jove_content" >المصدر: Hannah L. Cebull1 و Arvin H. Soepriatna1 و John J. Boyle2 و Craig J. Goergen1
1كلية ويلدون للهندسة الطبية الحيوية ،…
1. إعداد الموجات فوق الصوتية 4D
- عند استخدام برنامج التصوير ، استخدم جهاز كمبيوتر محمول قادرا على تشغيل برنامج الحوسبة الرياضية لأتمتة عملية الحصول على 4D. قم بتوصيل الكمبيوتر المحمول بهذا الرمز المخصص بنظام الموجات فوق الصوتية عبر منفذ USB. لاحظ أن برنامج التصوير يحتوي على ميزة الموجات فوق الصوتية 4D المدمجة في البرنامج.
- بعد تشغيل نظام الموجات فوق الصوتية ، قم بإعداد وحدة المراقبة الفسيولوجية مع التأكد أيضا من تشغيل أزرار معدل ضربات القلب ودرجة الحرارة. تهيئة مرحلة المحرك ثلاثية الأبعاد المرفقة بحامل محول الطاقة.
- استخدم المرحلة المناسبة ومحول الطاقة بالموجات فوق الصوتية للحصول على الصور. تأكد من إجراء جميع التوصيلات المناسبة.
- استمر في التخدير وإعداد للتصوير. أضف مرهما للعين إلى العينين لمنع جفاف القرنية ، وقم بتثبيت الكفوف في أقطاب المسرح ، وأدخل مسبار درجة حرارة المستقيم المشحم. قم بإزالة الفراء في منطقة الاهتمام باستخدام كريم مزيل الشعر.
- تأكد من اكتمال إزالة كريم إزالة الشعر. ثم ضع كمية وفيرة من جل التحويل بالموجات فوق الصوتية الدافئ على. هذا مهم بشكل خاص لإنشاء اتصال جيد عبر المنطقة بأكملها ذات الاهتمام للتصوير رباعي الأبعاد.
2. اكتساب الموجات فوق الصوتية 4D
- ابدأ دراسة جديدة على نظام الموجات فوق الصوتية وافتح نافذة التصوير في الوضع B (وضع السطوع). اخفض محول الطاقة على وحدد موقع منطقة الاهتمام باستخدام مقابض المحورين x و y على المسرح ، مع التأكد من عدم انخفاض معدل التنفس بشكل كبير. راقب هذا في أسفل الشاشة.
- ضع محول الطاقة في منتصف منطقة الاهتمام. من هناك ، قم بتقريب المسافة اللازمة لمحول الطاقة للتحرك لأعلى ولأسفل بحيث يتم تضمين منطقة الاهتمام بأكملها.
- أدخل الأبعاد التقريبية في كود برنامج الحوسبة ، بما في ذلك حجم الخطوة الذي يكون عادة ~ 0.08 مم لتصوير تمدد الأوعية الدموية الأبهري البطني. ابدأ في تشغيل الكود بعد التأكد من استقرار معدلات قلب وتنفسيه. هذا مهم لتقليل الأخطاء عند إعادة بناء الصور.
- بعد الانتهاء من الحصول على الصور ، قم بتصدير البيانات كملفات XML خام.
3. تحويل بيانات الموجات فوق الصوتية 4D
- أدخل ملفات XML الأولية في برنامج يمكنه تحويل البيانات إلى التنسيق المناسب لتحليل البقع ثلاثية الأبعاد. هنا نستخدم Matlab لتحويل ملفات XML إلى ملفات MAT. نص Matlab الكامل متاح هنا.
- للتحويل الصحيح ، يجب أيضا إدخال عدد الإطارات وحجم الخطوة ودقة الإخراج المطلوبة.
- بعد إعادة تشكيل المصفوفة من خلال المستوى ، قم باستيراد ملف MAT الجديد إلى كود تحليل الإجهاد ثلاثي الأبعاد.
4. 3D تحليل رمز الإجهاد
- ابدأ التحليل عن طريق ضبط ملف MAT المستورد بشكل صحيح. على سبيل المثال، قد تحتاج وحدة تخزين الصورة إلى إعادة تغيير حجمها لتقليل وقت الحساب.
- أدخل المنطقة المراد تحليلها وحدد قالب الشبكة المناسب لتقسيم بيانات الصورة إما كمربعات بسيطة أو مضلعات مختارة يدويا. قد يلزم تغيير حجم مربع المناطق والتباعد بين النقاط المركزية لكل مجموعة بيانات. ستكون الأرقام المثلى المختارة لحجم الصندوق حول ترتيب وحدات البكسل الخاصة بالميزة التي يتم تتبعها ، والتي يمكن تقريبها من خلال النظر إلى عدد وحدات البكسل في بعدين في شريحة واحدة. سيحدد تباعد المربعات دقة حقول الإجهاد. سيؤدي المزيد من المربعات إلى زيادة الدقة ولكنها قد تزيد أيضا من وقت الحساب بشكل كبير.
- ابدأ في حساب اليعاقبة والتدرجات بشكل متكرر داخل كل منطقة من هذه المناطق. بعد اكتمال الحساب المسبق ، قم بتطبيق وظيفة الالتواء.
- احسب موتر تدرج التشوه. احسب أولا السلالة ، ثم احسب القيم الذاتية والمتجهات الذاتية باستخدام طريقة تقدير التشوه المباشر.
- ارسم هذه النتائج في المستويات المطلوبة باستخدام تقنية مثل تعيين الألوان لمستوى مقطوع لتمثيل مجال الإجهاد فوق منطقة اهتمامك.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
يستخدم تصوير الإجهاد ثلاثي الأبعاد لتقدير تشوه الأنسجة الرخوة بمرور الوقت وفهم المرض. يتأثر السلوك الميكانيكي للأنسجة الرخوة ، مثل الجلد والأوعية الدموية والأوتار والأعضاء الأخرى ، بشدة بتكوينها خارج الخلية ، والذي يمكن أن يتغير بسبب الشيخوخة والمرض. داخل الأنسجة البيولوجية المعقدة ، من المهم توصيف هذه التغييرات ، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على الخصائص الميكانيكية والوظيفية للعضو.
يستخدم رسم خرائط الإجهاد الكمي بيانات الصورة الحجمية وطريقة تقدير التشوه المباشر لحساب حقول الإجهاد ثلاثية الأبعاد المتغيرة مكانيا. سيوضح هذا الفيديو مبادئ رسم خرائط السلالة ، ويوضح كيفية استخدام رسم خرائط الإجهاد الكمي لتقدير حقول الإجهاد داخل الأنسجة البيولوجية المعقدة ، ومناقشة التطبيقات الأخرى.
تتأثر الأنسجة البيولوجية بشدة بتكوين واتجاه الإيلاستين والكولاجين. بروتين الإيلاستين هو مكون عالي المرونة في الأنسجة التي تتمدد وتتقلص باستمرار ، مثل الأوعية الدموية والرئتين. الكولاجين هو البروتين الأكثر وفرة في الجسم ، ويتم تجميعه من بوليمرات ثلاثية حلزونية فردية يتم تجميعها في ألياف أكبر توفر السلامة الهيكلية للأنسجة التي تتراوح من الجلد إلى العظام.
يتراوح اتجاه هذه البروتينات من الألياف المحاذاة إلى شبكات الشبكات الليفية ، مما يؤثر على الخصائص الميكانيكية للأنسجة. الإجهاد هو مقياس للتشوه النسبي للأنسجة الرخوة بمرور الوقت ، ويمكن استخدامه لتصور الإصابة والمرض. يتم وصفه وتعيينه باستخدام التقديرات الرياضية.
لرسم خريطة للإجهاد في الأعضاء المعقدة ، مثل القلب ، يمكن استخدام بيانات الموجات فوق الصوتية رباعية الأبعاد ، والتي توفر معلومات عالية الدقة والمكانية والزمانية. ثم يتم تطبيق طريقة تقدير التشوه المباشر ، أو DDE ، على البيانات. يتم استخدام رمز لتقدير التشوه ثلاثي الأبعاد وسلالات Green-Lagrange المقابلة باستخدام المعادلة التالية.
يعتمد موتر سلالة Green-Lagrange على موتر تدرج التشوه وموتر الهوية من الدرجة الثانية. يتم تقدير موترات التدرج التشوه تقليديا من حقول الإزاحة. في طريقة DDE ، تم تحسين وظيفة الالتواء لتكون مماثلة مباشرة لموتر التشوه. تعتمد وظيفة الالتواء على كل من الموضع المكاني ومعلمة الالتواء. يتم دمج حساب التشوه مباشرة في وظيفة الالتواء. تمثل العناصر التسعة الأولى موتر تدرج التشوه.
تستخدم هذه الطريقة لتقدير التشوهات الكبيرة والموضعية في الأنسجة الرخوة. الآن بعد أن فهمنا مبادئ تعيين الإجهاد ، دعنا نرى الآن كيف يتم إجراء تخطيط الإجهاد للكشف عن تمدد الأوعية الدموية الأبهري في الفئران.
لبدء الإعداد ، افتح برنامج Vivo 2100 وقم بتوصيل الكمبيوتر المحمول بنظام الموجات فوق الصوتية. تأكد من تشغيل وحدة المراقبة الفسيولوجية لقياس معدل ضربات القلب ودرجة الحرارة. ثم قم بتهيئة مرحلة المحرك ثلاثي الأبعاد.
قم بتثبيت محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية وتأكد من إجراء جميع التوصيلات المناسبة. بعد ذلك ، قم بتخدير الذي سيتم تصويره باستخدام 3٪ من الأيزوفلوران في غرفة الضربة القاضية. بمجرد تخدير الفأر ، انقله إلى المرحلة الساخنة وقم بتأمين مخروط الأنف لتوصيل 1-2٪ من الأيزوفلوران. ضع مرهم العين على العينين وقم بتثبيت الكفوف على أقطاب المسرح لمراقبة تنفس ومعدل ضربات القلب. ثم أدخل مسبار درجة حرارة المستقيم. ضعي كريم إزالة الشعر لإزالة الشعر من المنطقة التي تهمك ، ثم ضعي كمية وفيرة من جل الموجات فوق الصوتية الدافئ على المنطقة التي مزالي الشعر.
لبدء الحصول على الصورة ، أولا ، افتح نافذة التصوير وحدد الوضع B. ثم قم بخفض محول الطاقة على واستخدم مقابض المحور x و y على المسرح لتحديد منطقة الاهتمام. راقب معدل التنفس للتأكد من أنه لا ينخفض بشكل كبير. ضع محول الطاقة في منتصف المنطقة محل الاهتمام. ثم قم بتقريب المسافة المطلوبة لتغطية منطقة الاهتمام بأكملها.
أدخل هذه الأبعاد في كود MATLAB واختر حجم خطوة يبلغ 0.08 ملم. تأكد من استقرار معدلات قلب وتنفسيه ، ثم قم بتشغيل رمز MATLAB.
بعد الحصول على الصور ، قم بتصدير البيانات كملفات XML أولية وتحويلها إلى ملفات MAT. تأكد من إدخال عدد الإطارات وحجم الخطوة ودقة الإخراج. ثم أعد أخذ عينات من المصفوفة في المستوى.
قم باستيراد ملف MAT الجديد إلى كود تحليل الإجهاد ثلاثي الأبعاد. قد يكون من الضروري إعادة تغيير حجم الملف لتقليل وقت الحساب. ثم أدخل المنطقة المراد تحليلها. قم بتقريب عدد وحدات البكسل في شريحة ثنائية الأبعاد من الميزة المتعقبة وحدد قالب الشبكة إما كمربع بسيط أو مضلعات مختارة يدويا. اختر رقم البكسل الأمثل لحجم الشبكة. احسب اليعاقبة والتدرجات. كرر لكل منطقة. ثم قم بتطبيق وظيفة الالتواء.
بعد ذلك ، باستخدام التشوهات الديكارتية المحسوبة من DDE ، حدد القيم الذاتية والمتجهات الذاتية للتشوه. بعد ذلك ، حدد الشرائح التي تريد رسم قيم الإجهاد لها عن طريق التمرير عبر طرق عرض المحور الطويل ومحور الفرز والمحور الإكليلي.
اضغط على تحديد المشعب للتحليل. ثم استخدم المؤشر لوضع علامات على طول جدار الأبهر ، بما في ذلك الجلطة وتمدد الأوعية الدموية والأجزاء السليمة من الشريان الأورطي. كرر ذلك لجميع طرق العرض. أخيرا ، استخدم تعيين الألوان لرسم نتائج حقل الإجهاد على منطقة الاهتمام.
دعونا نلقي نظرة فاحصة على مثال تمدد الأوعية الدموية الأبهري البطني الناجم عن الأنجيوتنسين II المكتسب من الفأر. أولا ، يتم الحصول على حلقات تصور متعددة قصيرة المحور ببوابات ECG بحجم خطوة معين على طول الشريان الأورطي ودمجها لإنشاء بيانات 4D.
بعد إجراء حساب الإجهاد ثلاثي الأبعاد باستخدام وظيفة الالتواء المحسنة ، يتم الحصول على مخطط تصور الشريحة ثلاثية الأبعاد للشريان الأورطي تحت الكلى. يتم تراكب خريطة الألوان للسلالة الخضراء الرئيسية لتسليط الضوء على مناطق إجهاد جدار الأبهر غير المتجانس. بالإضافة إلى ذلك ، تكشف مناظر المحور الطويل والمحور القصير عن اختلافات مكانية غير متجانسة في الإجهاد ، خاصة عند وجود خثرة.
تظهر مخططات السلالة المقابلة قيم إجهاد أعلى في المناطق السليمة من الشريان الأورطي في المحور الطويل ، بينما تظهر منطقة تمدد الأوعية الدموية إجهادا منخفضا في المحور القصير.
يعد التصور الدقيق للسلالة الكمية باستخدام تقدير التشوه المباشر أداة مفيدة تستخدم في العديد من التطبيقات الطبية الحيوية.
على سبيل المثال ، يمكن قياس إجهاد القلب. خلال الدورة القلبية ، يخضع عضلة القلب لتشوه ثلاثي الأبعاد. يعد القياس الكمي للسلالة في ثلاثة أبعاد جزءا لا يتجزأ من توصيف ديناميكيات هذا النسيج بشكل موثوق بمرور الوقت. هذا مفيد في تتبع تطور المرض في النماذج الحيوانية.
تطبيق آخر هو توصيف أنسجة الأمعاء. يعد التصوير في الجسم الحي للأمعاء أمرا صعبا بسبب تأثيرات الهياكل المحيطة. ومع ذلك ، فإن حساب الإجهاد من صور التليف المعوي يمكن أن يكون مفيدا بشكل خاص لتوفير الكشف المبكر عن المناطق التي بها مشاكل تتطلب تدخلا جراحيا.
على نطاق أصغر بكثير ، يتم تطبيق طريقة DDE هذه أيضا على المستوى الخلوي باستخدام تقنيات تصوير عالية الدقة مثل الفحص المجهري متحد البؤر. إنه يخدم ، على سبيل المثال ، في توصيف المصفوفة خارج الخلية لفهم كيفية تواصل الخلايا في ظل التغيرات الميكانيكية.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لتصور الإجهاد الكمي. يجب أن تفهم الآن كيفية قياس الإجهاد ثلاثي الأبعاد في الأنسجة البيولوجية وكيف يتم استخدامه في الكشف المبكر عن الأمراض. شكرا للمشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is three-dimensional strain imaging and why is it important for studying disease?
Three-dimensional strain imaging estimates deformation of soft tissues over time to understand disease progression. Strain measures relative tissue deformation and can visualize injury and disease states. This technique is critical because mechanical behavior of soft tissues like blood vessels and organs is strongly influenced by their extracellular composition, which changes with aging and disease, significantly affecting organ function.
Q2: How do elastin and collagen affect the mechanical properties of soft tissues?
Elastin is a highly elastic protein that continually stretches and contracts in tissues like blood vessels and lungs. Collagen, the body's most abundant protein, provides structural integrity through bundled triple-helical polymers. The orientation of these proteins ranges from aligned fibers to fibrous mesh networks, directly affecting tissue mechanical properties and how tissues respond to deformation and stress.
Q3: What is the direct deformation estimation method and how does it improve strain calculation?
Direct deformation estimation (DDE) calculates spatially varying three-dimensional strain fields from volumetric image data by optimizing a warping function directly analogous to the deformation tensor. Unlike two-dimensional methods that struggle with out-of-plane motion, DDE is robust to high or localized strain and less sensitive to imaging noise, making it superior for analyzing complex biological tissues in medical imaging.
Q4: What is the Green-Lagrange strain tensor and why is it used in 3D strain estimation?
The Green-Lagrange strain tensor mathematically describes large deformations in soft tissues by incorporating the deformation gradient tensor and identity tensor. This parameter is implemented in many three-dimensional strain estimation methods because it allows the deformation gradient to be calculated from a least squares fit of displacement data, enabling accurate characterization of complex tissue deformation.
Q5: How is quantitative strain mapping used to detect abdominal aortic aneurysms in animal models?
Four-dimensional ultrasound data provides high-resolution spatial and temporal information of the aorta. The direct deformation estimation method is applied to calculate three-dimensional strain fields, revealing heterogeneous aortic wall strain patterns. Color mapping visualizes strain variations, showing decreased strain in aneurysmal regions compared to healthy tissue, enabling early detection and disease characterization.
Q6: What are the clinical applications of quantitative strain mapping beyond aortic aneurysm detection?
Quantitative strain mapping quantifies cardiac strain during the myocardial cycle to track disease progression in animal models. It characterizes intestinal fibrosis for early detection of problematic areas requiring surgical intervention. At the cellular level, confocal microscopy combined with DDE characterizes extracellular matrix to understand how cells communicate under mechanical changes, expanding applications across multiple tissue types.
Q7: What are the key steps in acquiring and processing volumetric ultrasound data for strain analysis?
Volumetric four-dimensional ultrasound data is acquired using ECG-gated kilohertz visualization loops at specified step sizes along the tissue region. Raw data is exported as XML files and converted to MAT format, then resampled through-plane. The three-dimensional strain analysis code imports the processed data, applies mesh templates, computes Jacobians and gradients, applies the warping function, and finally uses color mapping to visualize strain fields.