Hochfrequenz-Ultraschall-Bildgebung der Bauchaorta

Ultraschall ist eine häufig verwendete nichtinvasive Bildgebungstechnologie in der klinischen Bildgebung und Diagnostik.

Ultraschall sendet Schallwellen aus und misst deren Reflexion, um Live-Bilder von anatomischen Strukturen und Organen zu erzeugen. Es hat Vorteile gegenüber anderen Bildgebungsmodalitäten wie CT-, MRT- und NIRF-Scans, da es relativ kostengünstig, tragbar und vielseitig ist und keine Kontrastmittel benötigt. Es gibt jedoch Einschränkungen in Bezug auf Auflösung und Eindringtiefe.

Dieses Video veranschaulicht die wichtigsten Prinzipien der Ultraschalltechnologie, demonstriert den Nutzen eines Hochfrequenz-Ultraschallsystems für die Bildgebung von Blutgefäßen bei Nagetieren und zeigt Beispiele für Ultraschallbildgebungsanwendungen.

Ultraschallbilder werden erzeugt, indem ein Strahl akustischer Wellen vom Schallkopf ausgesendet und die Echos aufgezeichnet werden, die entstehen, wenn die Wellen an der Grenze zwischen unterschiedlichen Geweben im Körper reflektiert werden. Die Wellen können auch von kleineren Objekten wie Blutzellen gebrochen, absorbiert oder sogar gestreut werden.

Die Menge der reflektierten Wellen ist proportional zum Unterschied in der akustischen Impedanz zwischen den Geweben. Die akustische Impedanz Z hängt von der Gewebedichte und der Geschwindigkeit der Schallwelle ab. Ist die Differenz hoch, wie z.B. bei Knochen, dann werden die Schallwellen vollständig reflektiert. Ist die Differenz geringer, wie bei einer Orgel, dann werden die Schallwellen nur teilweise reflektiert.

Die Intensität der am Schallkopf empfangenen reflektierten Wellen wird zusammen mit dem Abstand vom Schallkopf zur Gewebegrenze verwendet, um ein anatomisches Bild zu erstellen. Diese Entfernungen werden anhand der durchschnittlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall durch das Körpergewebe bestimmt, die etwa 1540 Meter pro Sekunde beträgt, und der Zeit, die die Welle benötigt, um sich zum Gewebe und zurück auszubreiten.

Ultraschall kann verwendet werden, um verschiedene Arten von Bildern zu sammeln, indem spezielle Modi verwendet werden, die für einzigartige Anwendungen geeignet sind. Der gebräuchlichste Modus ist der Helligkeits- oder B-Modus, der die akustische Impedanz eines zweidimensionalen Gewebestücks anzeigt. Alternativ ermöglicht die Bewegungs- oder M-Modus-Bildgebung einen Blick auf die schnellen Bewegungen im Gewebe wie bei der Herzfunktion. Schließlich wird der Doppler-Modus verwendet, um den Blutfluss zu bewerten.

Nachdem wir nun besprochen haben, wie Ultraschall funktioniert, werfen wir einen Blick darauf, wie Sie Bilder mit den verschiedenen Ultraschallbildgebungsmodi mit einem kleinen Tier aufnehmen können.

Schalten Sie zunächst das Ultraschallsystem mit dem Schalter auf der Rückseite ein. Schalten Sie dann den Monitor und den Computer mit dem Schalter auf der linken Seite des Systems ein. Schließen Sie anschließend den Wandler an den dedizierten aktiven Port des Systems an. Führen Sie dann das Schallkopfkabel durch die Kunststoffhalterungen über der Sondenhalterung.

Beachten Sie die erhabene Linie auf einer Seite des Wandlers. Verwenden Sie dies als Anhaltspunkt, wenn Sie sich auf das auf dem Monitor angezeigte Bild beziehen. Über der Graustufenleiste für das Bild befindet sich ein kleiner Kreis, der das Bildmotiv darstellt, und eine vertikale Linie, die die erhabene Linie auf dem Wandler darstellt. Zu Beginn sollte der Schallkopf in der Klemme befestigt und in einem Winkel von 90 Grad zum Tier platziert werden.

Stellen Sie sicher, dass das physiologische Überwachungsgerät angeschlossen ist, und drücken Sie die Herzfrequenz- und Temperaturtasten, um diese Monitore einzuschalten. Schalten Sie als Nächstes den Gelwärmer ein und stellen Sie sicher, dass die Kontrollleuchte leuchtet.

Bei der Betäubung von Tieren überprüfen Sie zuerst den Isofluranspiegel im Verdampfer und füllen Sie ihn nach, wenn der Wert unter der leeren Linie liegt. Schalten Sie als Nächstes den Sauerstofftank ein und stellen Sie den Luftstrom am Durchflussmesser auf etwa einen Liter pro Minute ein.

Schließen Sie nun die Tierbühne an und schließen Sie das VGA-Kabel an, um EKG- und Atmungssignale zu sammeln. Befestigen Sie den Nasenkonus des Tieres und überprüfen Sie, ob der schwarze Isofluranschlauch und der blaue Abgasschlauch richtig mit dem Nasenkonus verbunden sind. Das Tier kann nun betäubt und für die Bildgebung vorbereitet werden. Drehen Sie den Verdampferregler auf zwei bis drei Prozent, sobald sich das Tier in einer gesicherten Anästhesiekammer befindet.

Sobald das Tier tief betäubt erscheint, bewegen Sie es zum Nasenkegel auf der Bühne und stellen Sie sicher, dass der Isofluranfluss umgeschaltet wird. Führen Sie eine Zehenkneifung durch, um zu bestätigen, dass das Tier nicht sofort aufwacht, und tragen Sie dann eine Augensalbe auf die Augen auf. Befestigen Sie anschließend die Pfoten mit Kleber an den Bühnenelektroden und entfernen Sie die Bauchhaare mit einer Enthaarungscreme. Tragen Sie Gleitmittel auf die Rektumsonde auf und führen Sie es zur Messung der Körpertemperatur in das Rektum des Tieres ein. Anschließend wird der Bauch mit erwärmtem Ultraschall-Strahlungsgel bedeckt.

Öffnen Sie zunächst die Software und wählen Sie "Neue Studie". Sobald Sie sich in einer neuen Serie befinden, wählen Sie einen Benutzer aus dem Menü aus und benennen Sie Ihre Serie entsprechend. Sobald Ihre Serie erstellt wurde, wählen Sie auf der Tastatur den B-Modus, was für den Helligkeitsmodus steht. Alle Tasten für die Bildgebungsmodalität befinden sich in der unteren Reihe der schwarzen Tastatur.

Sie können jetzt mit dem Imaging beginnen. Rollen Sie den Schallkopf am Bauch des Tieres hinunter. Beobachten Sie den Bildschirm, um die Atemfrequenz zu überwachen. Ein Abfall der Frequenz wird beobachtet, wenn der Schallkopf zu viel Druck auf das Tier ausübt. Drehen Sie vorsichtig die Knöpfe der X- und Y-Achse auf dem Tisch, um die Platzierung des Wandlers anzupassen. Tun Sie dies, bis ein klares Bild der Bauchschlagader gefunden wird. Sobald die gewünschten Bilder auf dem Bildschirm angezeigt werden, warten Sie, bis sich der weiße Balken am unteren Rand des Bildes gefüllt hat, bevor Sie die Schaltfläche für die Bildbeschriftung drücken, um das Bild zu speichern. Die Modalität wird automatisch mit dem Bildlabel gespeichert und muss nicht im gespeicherten Namen enthalten sein.

Um Bilder im M-Modus oder im Bewegungsmodus aufzunehmen, wählen Sie über die Tastatur den M-Modus. Passen Sie den SV-Gang an, um die gelben Balken zu verengen oder zu verbreitern, und den Cursor, um die Balken über einem Abschnitt der Bauchaorta auszurichten. Drücken Sie nach der korrekten Platzierung erneut den M-Modus. Die Platzierung der Balken kann im M-Modus angepasst werden. Warten Sie wie im B-Modus, bis sich der weiße Balken am unteren Rand des Bildes gefüllt hat, bevor Sie die Bildbeschriftungstaste drücken.

Um eine EKV- oder EKG-gesteuerte Kilohertz-Visualisierung durchzuführen, wählen Sie zunächst den B-Modus auf der Tastatur, positionieren Sie den Schallkopf über einem Abschnitt der Bauchaorta und stellen Sie sicher, dass ein sauberes EKG-Signal vorhanden ist. Drücken Sie dann EKV, wählen Sie den gewünschten Aufnahmetyp, die Zeilendichte und die Bildrate und starten Sie den Scan. Nach der Erfassung werden die Bilddaten angezeigt.

Um den Farbdoppler zu verwenden, wählen Sie zuerst den B-Modus, überprüfen Sie, ob sich der Schallkopf über der Bauchaorta befindet, und wählen Sie Farbe. Drücken Sie Update, bewegen Sie den Trackball, um die Boxgröße an den zu scannenden Bereich anzupassen, und drücken Sie erneut Update, um die Größe zu sperren. Verwenden Sie anschließend den Cursor, um das Feld zu verschieben. Drehen Sie den Regler "Velocity" nach oben, um den Velocity-Schwellenwert zu erhöhen und das Hintergrundsignal zu verringern.

Zur Quantifizierung der Blutflussgeschwindigkeit wird der Pulswellen-Doppler-Modus verwendet. Starten Sie im Farbdoppler-Modus und drücken Sie dann PW. Auf dem Bildschirm erscheinen zwei gelbe, abgewinkelte Linien. Stellen Sie den Abstrahlwinkel ein und drehen Sie den PW-Winkelknopf, um die kürzere gestrichelte Linie parallel zur vorderen und hinteren Gefäßwand zu bringen. Die gestrichelte gelbe Linie wird blau, wenn der Winkel zu weit gedreht wird. Sobald die Ausrichtung erfolgt ist, drücken Sie PW und passen Sie dann die Grundlinien-, Geschwindigkeits- und Doppler-Spielsteuerung an, um die Wellenformen zu zentrieren und aufzuhellen. Sie können die zuvor aufgenommenen Bilder jederzeit während der Bildgebung anzeigen, indem Sie auf Studienverwaltung drücken und die gewünschten Bilder auswählen.

Nachdem Sie alle für eine Serie benötigten Bilder erfasst haben, wählen Sie im Bildschirm zur Studienverwaltung die Option Serie schließen aus. Um Daten für die weitere Analyse auf einen anderen Computer zu übertragen, gehen Sie zum Bildschirm für die Studienverwaltung und klicken Sie auf die Kontrollkästchen für die Studien oder einzelne Serien. Klicken Sie auf Kopieren nach, wählen Sie den gewünschten Dateispeicherort aus und drücken Sie OK. Drehen Sie schließlich den Verdampferregler auf Null, nehmen Sie das Tier vom Tisch und lassen Sie es sich von der Narkose erholen.

Reinigen Sie nach jedem Eingriff das Ultraschallgerät und wischen Sie das Tierstadium und die Rektalsonde ab. Sprühen Sie das Desinfektionsmittel niemals direkt auf die Bühne. Der Geber sollte mit 70 % Ethanol auf einem Papiertuch abgewischt werden, bevor er wieder in die Halterung eingesetzt wird. Denken Sie daran, den Sauerstofftank auszuschalten und den Luftstrom am Durchflussmesser auf Null reduzieren zu lassen.

Sobald die gesamte Bildgebung und der Export abgeschlossen sind, klicken Sie auf den Netzschalter auf dem Bildschirm der Studienverwaltung und warten Sie, bis der Monitor und der Computer heruntergefahren sind. Nachdem der Monitor vollständig ausgeschaltet ist, schalten Sie die Ein-Aus-Taste auf der Rückseite des Systems auf "Aus". Sie sollten hören, dass die Lüfter stoppen, sobald sie ordnungsgemäß abgeschaltet wurden.

Nachdem die Imaging-Sitzung abgeschlossen und das System heruntergefahren wurde, können die Ergebnisse analysiert werden.

Mit diesem Verfahren wurde eine anatomische und funktionelle Bildgebung der Bauchschlagader durchgeführt. Einige Daten, wie z. B. Scans im B-Modus, werden während oder unmittelbar nach der Datenerfassung leicht analysiert, während Scans in anderen Modi am besten analysiert werden, nachdem die Daten zur Analyse mit der Software kopiert wurden.

Die zweidimensionalen B-Mode-Scans können Messungen des Aortendurchmessers oder der Querschnittsfläche liefern. Der Durchmesser kann mit dem Werkzeug zur Messung der Länge über die Entfernung und die Fläche mit dem Werkzeug zur Flächenmessung gemessen werden. Mit dem M-Modus kann die umlaufende zyklische Dehnung des Behälters bestimmt werden. Bei einem M-Modus-Scan der Aorta kann der Benutzer erkennen, wo die hellen Linien der vorderen und hinteren Gefäßwand entsprechen. Die Vorderwand zeigt mehr Bewegung als die Hinterwand.

Die umlaufende zyklische Dehnung wird aus den Werten des inneren Aortendurchmessers während der Peaksystole (DS) und der Enddiastole DD bestimmt. Die maximale Systole tritt auf, wenn die Aorta auf ihre größte Größe ausgedehnt wird, und die Enddiastole, wenn sie ihre kleinste Größe erreicht hat. Die umlaufende zyklische Dehnung wird daher nach dieser Formel berechnet.

Mit dem Farbdoppler kann die Richtung und Geschwindigkeit des Blutflusses bestimmt werden. Farbdopplerbilder ermöglichen dem Anwender eine qualitative Beurteilung der Blutdynamik. Die rote und blaue Farbskala zeigt die Richtung und Größe der Geschwindigkeit des erkannten Blutflusses an. Rot zeigt an, dass die Strömung in Richtung des Wandlers fließt und die blaue Strömung weg. Die dunklere Farbe steht für eine Strömung mit geringer Geschwindigkeit und die hellere Farbe für eine Strömung mit höherer Geschwindigkeit.

Nachdem nun die allgemeinen Prinzipien und das Verfahren für die Ultraschallbildgebung überprüft wurden, werfen wir einen Blick auf einige Anwendungen, bei denen diese Bildgebungsmodalität verwendet wird.

Die menschliche Plazenta ist für die Forschung noch im Mutterleib kaum zugänglich. Mit hochfrequentem Ultraschall können die Nabelvene und die Gebärmutterarterie sichtbar gemacht werden. Dies wird durchgeführt, um den Gefäßdurchmesser und die maximale Geschwindigkeit des Blutflusses auf beiden Seiten der Plazenta zu messen. Dies wird mit Daten aus Blutproben kombiniert, die von der mütterlichen und fetalen Seite der Plazenta entnommen wurden, um die arteriovenösen Konzentrationen von Nährstoffen und Substanzen zu berechnen, die in den Blutkreislauf freigesetzt werden. Diese Studie gibt Einblick in die menschliche Plazentafunktion.

Schädelultraschall ist ein zuverlässiges Werkzeug für Neugeborene mit angeborenen Anomalien oder Hirnläsionen. Die Methode ist nicht-invasiv und kann am Krankenbett auf der Neugeborenen-Intensivstation durchgeführt werden. Ultraschallbilder werden sowohl in der koronalen als auch in der sagittalen Ebene aufgenommen, um die Visualisierung des neonatalen Gehirns zu unterstützen. Diese Bilder können helfen, alle im Gehirn vorhandenen Läsionen sichtbar zu machen. Der Farbdoppler-Modus wird in der Regel für die Visualisierung der intrazerebralen Gefäße verwendet. Die Sinus transversum wird abgebildet und eventuelle Gerinnsel können erkannt werden.

Sie haben gerade die Einführung in die Ultraschallbildgebung von JoVE gesehen. Sie sollten nun die Prinzipien der Ultraschallbildgebung, die allgemeinen Methoden zur Bilderfassung und -analyse und verschiedene Anwendungen verstehen. Danke fürs Zuschauen!