来源:Hannah L. Cebull1,Arvin H. Soepriatna1,John J. Boyle2 和 Craig J. Goergen1
1普渡大学生物医学工程韦尔登学院,西拉法叶,印第安纳州
2机械工程与材料科学系,圣路易斯华盛顿大学,美国密苏里州圣路易斯
软组织(如血管、皮肤、肌…
1. 4D 超声设置
2. 4D 超声图像采集
3. 4D 超声数据转换
4. 三维应变编码分析
三维应变成像用于估计软组织随时间发生的形变,并帮助理解疾病。软组织(如皮肤、血管、肌腱及其他器官)的力学行为在很大程度上受其细胞外基质成分的影响,而这些成分会因衰老和疾病发生改变。在复杂的生物组织中,表征这些变化至关重要,因为它们可能显著影响器官的力学特性和功能特性。
定量应变映射利用体积分图像数据和直接形变估计算法,计算空间上变化的三维应变场。本视频将阐述应变映射的基本原理,演示如何使用定量应变映射来估算复杂生物组织内部的应变场,并讨论其他相关应用。
生物组织的特性在很大程度上受到弹性蛋白和胶原蛋白的组成与取向的影响。弹性蛋白是一种高度弹性的蛋白质,是持续伸展和收缩的组织(如血管和肺)的重要组成成分。胶原蛋白是体内含量最丰富的蛋白质,由单个三螺旋聚合物组装而成,这些聚合物进一步聚集成更粗的纤维,为从皮肤到骨骼等多种组织提供结构完整性。
这些蛋白质的取向从有序排列的纤维到纤维网状结构不等,这会影响组织的力学性能。应变是衡量软组织随时间发生相对形变的指标,可用于可视化损伤和疾病状态。应变通过数学估算进行描述和映射。
为了在心脏等复杂器官中映射应变,可利用提供高分辨率空间和时间信息的四维超声数据。随后将直接形变估计方法(DDE)应用于这些数据。通过以下公式,使用一段代码来估算三维形变及相应的格林-拉格朗日应变。
格林-拉格朗日应变张量依赖于变形梯度张量和二阶单位张量。变形梯度张量通常由位移场估算得到。在DDE方法中,优化配准函数使其直接对应于变形张量。该配准函数依赖于空间位置和配准参数。变形的计算被直接整合到配准函数中。前九个元素表示变形梯度张量。
该方法用于评估软组织中的大范围及局部变形。在了解了应变映射的原理之后,接下来我们将学习如何通过应变映射来检测小鼠的主动脉瘤。
开始设置时,打开 Vivo 2100 软件并将笔记本电脑连接到超声系统。确保生理监测仪已开启,以测量心率和体温。然后初始化 3D 电机平台。
安装超声探头,并确保所有正确连接均已接好。接下来,使用含3%异氟烷的麻醉诱导舱对将要成像的动物进行麻醉。小鼠麻醉后,将其转移至加热的成像平台,并连接鼻罩以持续供给1-2%异氟烷。在小鼠眼睛上涂抹眼用软膏,并将其四肢固定在平台的电极上,以监测动物的呼吸和心率。随后插入直肠温度探头。在目标区域涂抹脱毛膏以去除毛发,然后在脱毛区域涂抹足量的温热超声耦合剂。
开始图像采集时,首先打开成像窗口并选择 B 模式。然后将探头放置到动物体表,使用载物台上的 x 轴和 y 轴旋钮定位目标区域。监测呼吸频率,确保其未显著下降。将探头置于目标区域的中央位置,随后估算覆盖整个目标区域所需的扫描距离。
在 MATLAB 代码中输入这些尺寸,并选择 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。
图像采集完成后,将数据导出为原始 XML 文件并转换为 MAT 文件。确保输入帧数、步长和输出分辨率。然后对矩阵进行面外方向的重采样。
将新的 MAT 文件导入三维应变分析代码中。可能需要重新缩放文件以减少计算时间。然后输入待分析的区域。估算被追踪特征在二维切片中的像素数量,并选择网格模板为简单的立方体或手动选定的多边形。选择适用于网格大小的最佳像素数量。计算雅可比矩阵和梯度。对每个区域重复此过程,然后应用形变函数。
接下来,利用从 DDE 计算得到的笛卡尔形变,确定形变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,选择需要绘制应变值的切片。
按“选择用于分析的流形”。然后使用光标在主动脉壁上放置标记,包括血栓、动脉瘤以及主动脉的健康部分。对所有视图重复此操作。最后,使用彩色映射将应变场的分析结果绘制在感兴趣区域上。
让我们仔细观察一个来自小鼠的血管紧张素II诱导的肾上水平主动脉夹层腹主动脉瘤实例。首先,沿主动脉以特定步长获取多个短轴心电图门控千赫兹可视化循环图像,并将其组合以生成四维数据。
使用优化的形变函数进行三维应变计算后,获得腹肾段主动脉的三维切片可视化图像。通过叠加主绿应变的颜色图,突出显示主动脉壁应变的异质区域。此外,长轴和短轴视图揭示了应变在空间上的异质性变化,特别是在存在血栓的情况下更为明显。
相应的应变图显示,在长轴方向上,主动脉健康区域的应变值较高,而在短轴方向上,动脉瘤区域的应变值降低。
利用直接形变估计实现精确的定量应变可视化,是多种生物医学应用中的一种有用工具。
例如,可以对心肌应变进行量化。在心动周期中,心肌会发生三维形变。对三维方向上的应变进行量化,对于可靠地表征该组织随时间变化的动力学特性至关重要。这一方法在动物模型中追踪疾病进展方面具有重要应用价值。
另一个应用是在肠道组织的表征方面。由于周围结构的影响,肠道的活体成像具有挑战性。然而,通过肠道纤维化图像计算应变,可能特别有助于早期发现需要外科干预的问题区域。
在更小的尺度上,通过使用共聚焦显微镜等更高分辨率的成像技术,该DDE方法也被应用于细胞水平,例如用于表征细胞外基质,以理解细胞在机械变化条件下如何进行通讯。
您刚刚观看了 JoVE 关于定量应变可视化的简介。现在您应该了解如何测量生物组织中的三维应变,以及该技术在早期疾病检测中的应用。感谢观看!
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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.