6: 腹部主动脉瘤的定量应变图谱

1. 4D超声设置

1. 使用成像软件时，使用能够运行数学计算软件的笔记本电脑自动执行 4D 采集过程。通过 USB 端口将具有此自定义代码的笔记本电脑连接到超声波系统。请注意，成像软件集成了 4D 超声功能。
2. 打开超声波系统后，设置生理监测单元，同时确保心率和温度按钮打开。初始化连接到传感器支架的 3D 电机级。
3. 使用适当的级和超声波传感器进行图像采集。确保已建立所有正确的连接。
4. 继续麻醉和准备动物成像。在眼睛中添加眼膜，以防止角膜干燥，将爪子固定到舞台电极上，并插入润滑的直肠温度探头。使用脱毛霜去除感兴趣区域的毛皮。
5. 确保去除面霜已取出。然后，将大量加热的超声波转导凝胶涂到动物中。对于为 4D 成像在整个感兴趣区域建立良好的连接，这一点尤其重要。

2. 4D超声采集

1. 开始对超声系统进行新的研究，并在 B 模式（亮度模式）中打开成像窗口。将传感器降至动物上，使用舞台上的 x 轴和 y 轴旋钮定位感兴趣的区域，确保呼吸速率不会大幅下降。在屏幕底部监视此内容。
2. 将传感器放置在感兴趣区域的中间。从那里，近似传感器上下移动所需的距离，以便包括整个感兴趣的区域。
3. 在计算软件代码中输入近似尺寸，包括一个通常为 +0.08 mm 的步长大小，用于腹部主动脉瘤成像。在确保动物的心脏和呼吸速率稳定后，开始运行代码。这对减少重建图像时的错误非常重要。
4. 完成映像采集后，将数据导出为原始 XML 文件。

3. 4D超声数据转换

1. 将原始 XML 文件输入到软件中，该软件可将数据转换为 3D 染色分析的正确格式。在这里，我们使用 Matlab 将 XML 文件转换为 MAT 文件。完整的 Matlab 脚本可在此处获取。
2. 为了进行正确的转换，还需要输入帧数、步长大小和所需的输出分辨率。
3. 在 通过平面重新采样矩阵后，将新的 MAT 文件导入到 3D 应变分析代码中。

4. 3D 应变代码分析

1. 通过正确调整导入的 MAT 文件开始分析。例如，可能需要重新缩放图像卷以缩短计算时间。
2. 输入要分析的区域并确定适当的网格模板，以便将图像数据分割为简单框或手动选择的多边形。可能需要为每个数据集更改区域的框大小和中心点之间的间距。为框大小选择的最佳数字将围绕被跟踪要素的像素顺序，可以通过查看一个切片中的两个维度中的像素数来近似。框的间距将决定应变场的分辨率。更多的框将提高分辨率，但也可能大大增加计算时间。
3. 开始在每个区域中迭代计算雅各人和梯度。预计算完成后，应用翘曲函数。
4. 计算变形梯度张数。首先计算应变，然后使用直接变形估计方法计算值和值向量。
5. 使用切割平面的颜色映射等技术在所需平面中绘制这些结果，以表示感兴趣区域上的应变场。

三维应变成像用于估计软组织随时间的变形并了解疾病。软组织（如皮肤、血管、肌腱和其他器官）的机械行为受到其细胞外成分的强烈影响，这些细胞外成分可能会因衰老和疾病而改变。在复杂的生物组织中，表征这些变化非常重要，这些变化会显着影响器官的机械和功能特性。

定量应变映射使用体积图像数据和直接变形估计方法来计算空间变化的三维应变场。本视频将说明应变映射的原理，演示如何使用定量应变映射来估计复杂生物组织内的应变场，并讨论其他应用。

生物组织受弹性蛋白和胶原蛋白的组成和方向的强烈影响。蛋白质弹性蛋白是组织（如血管和肺）的一种高弹性成分，可持续拉伸和收缩。胶原蛋白是体内含量最丰富的蛋白质，由单独的三螺旋聚合物组装而成，这些聚合物被束缚成更大的纤维，为从皮肤到骨骼的组织提供结构完整性。

这些蛋白质的取向范围从对齐的纤维到纤维网状网络，这会影响组织的机械性能。应变是软组织随时间相对变形的量度，可用于可视化损伤和疾病。它使用数学估计来描述和映射它。

为了绘制复杂器官（如心脏）中的应变图，可以使用提供高分辨率、空间和时间信息的四维超声数据。然后，将直接变形估计法 （DDE） 应用于数据。使用以下方程使用代码来估计 3D 变形和相应的格林-拉格朗日应变。

格林-拉格朗日应变张量取决于变形梯度张量和二阶恒等张量。变形梯度张量传统上是根据位移场估计的。在 DDE 方法中，翘曲函数被优化为直接类似于变形张量。warping 函数取决于空间位置和 warp 参数。变形的计算直接合并到 warping 函数中。前 9 个元素表示变形梯度张量。

该方法用于估计软组织中的大变形和局部变形。现在我们了解了应变标测的原理，现在让我们看看如何进行应变标测来检测小鼠的主动脉瘤。

要开始设置，请打开 Vivo 2100 软件并将笔记本电脑连接到超声系统。确保生理监测装置已打开以测量心率和体温。然后初始化 3D 电机平台。

安装超声换能器并确保已建立所有正确连接。接下来，麻醉将在敲除室中使用 3% 异氟醚成像的动物。麻醉小鼠后，将其移至加热台并固定鼻锥以提供 1-2% 异氟醚。将眼药膏涂在眼睛上，并将爪子固定在载物台电极上，以监测动物的呼吸和心率。然后插入直肠温度探头。涂抹脱毛霜以去除感兴趣区域的毛发，然后在脱毛区域涂抹大量温热的超声凝胶。

要开始图像采集，首先，打开成像窗口并选择 B 模式。然后将传感器降低到动物身上，并使用载物台上的 x 轴和 y 轴旋钮定位感兴趣区域。监测呼吸频率，确保其不会大幅降低。将换能器放置在感兴趣区域的中间。然后估算覆盖整个感兴趣区域所需的距离。

在 MATLAB 代码中输入这些尺寸，然后选择 0.08 毫米的步长。确保动物的心率和呼吸频率稳定，然后运行 MATLAB 代码。

图像采集后，将数据导出为原始 XML 文件并将其转换为 MAT 文件。确保输入帧数、步长和输出分辨率。然后在平面中对矩阵重新采样。

将新的 MAT 文件导入到 3D 应变分析代码中。可能需要重新缩放文件以减少计算时间。然后，输入要分析的区域。近似跟踪特征的二维切片中的像素数，然后选择网格模板作为简单框或手动选择的多边形。为网格大小选择最佳像素数。计算雅可比矩阵和梯度。对每个区域重复此作。然后应用 warping 功能。

接下来，使用从 DDE 计算的笛卡尔变形，确定变形的特征值和特征向量。然后，通过滚动长轴、排序轴和冠状轴视图来选择要为其绘制应变值的切片。

按 Select Manifold for Analysis。然后使用光标沿主动脉壁放置标记，包括血栓、动脉瘤和主动脉的健康部分。对所有视图重复上述步骤。最后，使用颜色映射在感兴趣区域上绘制应变场的结果。

让我们仔细看看血管紧张素 II 诱导的从小鼠获得的肾上夹层腹主动脉瘤的例子。首先，沿主动脉以给定的步长获得多个短轴 ECG 门控千赫兹可视化回路，并组合以创建 4D 数据。

在使用优化的翘曲函数进行 3D 应变计算后，获得肾下主动脉的 3D 切片可视化图。主要绿色应变的彩色图叠加以突出显示异质主动脉壁应变的区域。此外，长轴和短轴视图揭示了应变的异质性空间变化，尤其是存在血栓时。

相应的应变图在长轴上显示主动脉健康区域的应变值较高，而动脉瘤区域在短轴上显示应变降低。

使用直接变形估计进行准确的定量应变可视化是各种生物医学应用中使用的有用工具。

例如，心脏压力可以量化。在心动周期期间，心肌发生 3D 变形。量化三维应变对于可靠地表征该组织随时间变化的动力学是不可或缺的。这在动物模型中跟踪疾病进展很有用。

另一个应用是肠道组织的表征。由于周围结构的影响，肠道的体内成像具有挑战性。然而，根据肠道纤维化图像计算应变对于早期发现需要手术干预的问题区域可能特别有用。

在更小的规模上，这种 DDE 方法也通过使用更高分辨率的成像技术（如共聚焦显微镜）应用于细胞水平。例如，它可用于表征细胞外基质，以了解细胞在机械变化下如何通信。

您刚刚观看了 JoVE 对定量应变可视化的介绍。您现在应该了解如何测量生物组织中的三维应变，以及如何将其用于早期疾病检测。感谢观看！