Methodenartikel

Ultraschnelle Doppler-Gefäßbildgebung für die intraoperative physiologische Überwachung des menschlichen Rückenmarks

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DOI:

10.3791/68260

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29. August 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1College of Biomedical Engineering, Fudan University, 2Department of Neurosurgery, Huashan Hospital, Fudan University, 3Poda Medical Technology Co., Ltd., 4State Key Laboratory of Integrated Chips and Systems, Fudan University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

In dieser Studie wird die Anwendung der ultraschnellen Doppler-Gefäßbildgebung für das physiologische Monitoring während der menschlichen Rückenmarkschirurgie vorgestellt.

Zusammenfassung

Die Überwachung physiologischer Parameter ist für die Beurteilung des Zustands des Patienten in intraoperativen Szenarien unerlässlich. Hämodynamische Informationen wie Blutdruck und Herzfrequenz können aus Ultraschall-Dopplersignalen abgeleitet werden, die die Gefäßfunktion widerspiegeln und pathologische Risiken in Echtzeit anzeigen. Im Vergleich zu Oszillometrie, Magnetresonanztomographie (MRT), konventionellem Doppler und piezoelektrischen Methoden bietet der ultraschnelle Doppler eine überlegene zeitliche Auflösung und eine hohe Empfindlichkeit für kleine Gefäße. In dieser Arbeit wird eine intraoperative Anwendung der ultraschnellen Doppler-Bildgebung im Rückenmark eines Patienten mit Chiari-Malformation beschrieben. Nach der Verarbeitung der erzeugten Daten wurden Leistungsdopplerbilder des Rückenmarksgefäßsystems und physiologischer Parameter erstellt, einschließlich einer detaillierten Kartierung des Widerstandsindex (RI) und des Pulsatilitätsindex (PI). Sowohl RI als auch PI zeigten nach chirurgischen Eingriffen signifikante Reduktionen (RI-Mittelwert: 0,47 → 0,32; PI-Mittelwert: 0,63 → 0,39; p < 0,001), wobei konsistente Trends in den Medianen beobachtet wurden, was auf eine verbesserte Hämodynamik des Rückenmarks hinweist. Die Bewertung von Veränderungen der PI/RI-Parameter mit dieser Methode kann ein breiteres Verständnis des Krankheitsverlaufs und der Wirksamkeit der Behandlung bieten und möglicherweise chirurgische Strategien und therapeutische Ansätze leiten.

Einleitung

Die Blutdruckdynamik als wichtiger intraoperativer physiologischer Indikator bietet eine wertvolle Orientierungshilfe für die Operationsstrategie und sorgt für die Betriebssicherheit1. Pulswellen, die durch die periodische Kontraktion und Entspannung des Herzens erzeugt werden, breiten sich alsDruckwellen durch das arterielle Gefäßsystem von der Aorta aus 2. Diese Wellen können als direkte Manifestation der kardiovaskulären Funktion angesehen werden und bieten wichtige Informationen für das Verständnis der Blutdruckdynamik und der Gesamthämodynamik3. In der klinischen Praxis werden Pulswellen in großem Umfang zur kontinuierlichen Beurteilung des hämodynamischen Statuseingesetzt 4.

Als Relaisstation und Reflexzentrum innerhalb des zentralen Nervensystems spielt das Rückenmark eine zentrale Rolle bei der Übertragung motorischer und sensorischer Informationen. Die Stabilität der Blutversorgung ist entscheidend für den Erhalt und die Wiederherstellung der neurologischen Funktion6. Das pulsierende Blutflusssignal des Rückenmarks ist eng mit der Pulswelle verbunden und enthält Informationen über die Gefäßelastizität und Hämodynamik, wodurch die physiologischen und pathologischen Veränderungen des Rückenmarks widergespiegelt werden. Die Überwachung dieser Signale steht aufgrund der geringen Größe des Rückenmarks, der komplizierten Gefäßarchitektur7 und der komplexen Blutflussmuster8 vor erheblichen Herausforderungen, die eine effektive Beurteilung der Pulswellen des Rückenmarks erschweren.

Es wurden mehrere Techniken zur Bewertung von Pulswellen vorgeschlagen. Das oszillometrische Analyseverfahren ist einfach zu bedienen und ermöglicht schnelle Messungen. Die Genauigkeit der Ergebnisse kann jedoch durch Faktoren wie Artefakte, die Haltung des Patienten und die geeignete Größe und Platzierung der Manschette beeinflusst werden 9,10. Einige piezoelektrische Biosignalsensoren, wie z. B. piezoelektrische Impulssensoren, können Pulswellen effizient detektieren, ihre Genauigkeit kann jedoch durch mechanische Vibrationen oder Temperaturschwankungen beeinträchtigt werden. Inzwischen sind optische Sensoren wie die Photoplethysmographie (PPG) anfällig für Umweltlicht und Bewegungsartefakte11. Darüber hinaus können diese Techniken nur lokalisierte Pulswellensignale erfassen und sind nicht in der Lage, gleichzeitig bildgebende Informationen der beobachteten Struktur zu liefern12.

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine leistungsfähige Bildgebungsmethode, die eine relativ hohe räumlich aufgelöste Messung der Arterienwände des Rückenmarks ermöglicht, aber sie ist kostspielig und nur eingeschränkt zugänglich13. Die Computertomographie (CT) bietet schnellere Scanzeiten und eine breitere Verfügbarkeit, emittiert jedoch ionisierende Strahlung, was ihre Verwendung für wiederholte Untersuchungen einschränkt14. Konventioneller Doppler-Ultraschall ermöglicht die Echtzeit-Beurteilung der Blutflussdynamik durch zwei komplementäre Bildgebungsmodi: Farbdoppler und Pulswellendoppler (PWD). Der Farbdoppler bietet einen qualitativen Überblick über die Strömungsgeschwindigkeiten über das gesamte Sichtfeld, indem er das Medium Zeile für Zeile abtastet, leidet jedoch unter niedrigen Bildraten und einer geringen Empfindlichkeit gegenüber langsamen oder tiefen Strömungen. PWD bietet quantitative zeitliche Informationen über Blutfluss-Wellenformen, ist jedoch auf einen einzigen, benutzerdefinierten Interessenbereich beschränkt. Infolgedessen ist es für eine starke Hämodynamik in Arterien und Venen anwendbar und quantifiziert momentane Pulswellenformen innerhalb eines kleinen Sichtfeldes15. Kontrastmittelverstärkter Ultraschall verbessert die Visualisierung des Blutflusses durch den Einsatz von Mikrobläschenmitteln; Die Forderung nach Kontrastmittelinjektion wirft jedoch Sicherheitsbedenken im intraoperativen Bereich auf, so dass sie für die Echtzeitbeurteilung der vaskulären Pulsatilität weniger geeignet ist16. Photoakustische und optische Bildgebungsverfahren bieten einen hohen Kontrast und eine hohe räumliche Auflösung für die Gefäßbildgebung, insbesondere in oberflächlichen Geweben. Ihre starke Abhängigkeit vom optischen Zugang schränkt ihre Anwendbarkeit auf tiefliegende Strukturen wie das Rückenmark jedoch deutlich ein17.

In den letzten Jahren hat sich der ultraschnelle Ultraschall rasant weiterentwickelt und verfügt über ein großes Potenzial in der Gefäßbildgebung18. Im Gegensatz zur herkömmlichen fokussierten Strahlabtastung verwendet der ultraschnelle Doppler Mehrwinkel-Techniken mit zusammengesetzten ebenen Wellen, die die Empfindlichkeit der Ultraschallbildgebung um etwa das 50-fache erhöhen und die Detektion kleiner Gefäße erheblich verbessern 15,19,20. Für jedes Pixel im Bild kann ein vollständiges Dopplerspektrum erhalten werden, das die Erfassung umfassender Informationen über die Geschwindigkeit und Richtung des Blutflusseserleichtert 21. Dies kann verwendet werden, um vaskuläre Indizes wie den Widerstandsindex (RI) und den Pulsatilitätsindex (PI) im gesamten Bildgebungsbereich zu schätzen. Im Jahr 2014 wandten Demene et al.22 die ultraschnelle Doppler-Technologie auf die Bildgebung des zerebralen Blutflusses bei Neugeborenen an und präsentierten eine detaillierte Verteilungskarte der zerebralen vaskulären RI bei Neugeborenen. Dieser Fortschritt bietet ein neues Werkzeug zum Verständnis der Mechanismen der Autoregulation des zerebralen Blutflusses und der Pathogenese verwandter Krankheiten bei Früh- und Frühgeborenen. Im Jahr 2020 schlugen Bourquin et al.23,24 die dynamische Ultraschalllokalisationsmikroskopie (DULM) auf der Grundlage ultraschneller Ultraschalltechnologie vor, um In-vivo-Messungen der pulsierenden Mikrozirkulation im Nagetiergehirn zu erreichen, und erweiterten diese Technik auf die dreidimensionale Bildgebung, was eine neue Dimension für die quantitative Analyse bietet.

Für die vaskuläre Bildgebung des Rückenmarks erreichten Zang et al.25 im Jahr 2021 eine mikrovaskuläre Bildgebung des Rückenmarks ohne Kontrastmittel mittels ultraschneller Doppler, mit einer Bildauflösung, die mit der transmittierten Wellenlänge vergleichbar ist. Sui et al.26. verwendete eine Zufallsstichprobenmethode, die auf einer robusten Hauptkomponentenanalyse (RPCA) basiert, um eine schnelle, ultraschnelle Doppler-Bildgebung der Mikrozirkulation im Gehirn und Rückenmark mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Pezet et al.27 beobachteten eine Gefäßrekonstruktion nach chronischer Rückenmarksverletzung. Im Jahr 2022 erreichten Yu et al.28 eine ultraschnelle superhochauflösende Ultraschall-Lokalisationsmikroskopie der Mikrozirkulation des Rückenmarks bei Ratten auf der Grundlage von RPCA, mit einer Bildauflösung von 13-16 μm, was deutlich kleiner als die Wellenlänge von 100 μm ist. Weitere Studien umfassten die kontinuierliche Beobachtung und quantitative Analyse der Mikrozirkulation im Halbschatten des Rückenmarks nach einer Rückenmarksverletzung29. Im Jahr 2023 nutzten Yan et al.30 ultraschnelle Ultraschall-Vektor-Doppler, um eine vektorisierte Bildgebung des Blutflusses kleiner Gefäße in menschlichen Rückenmarkstumoren durchzuführen und die sequenzbezogene Sicherheit auf der Grundlage experimenteller Sequenzparameter im Detail zu bewerten. Im Jahr 2024 führten Agyeman et al.31 die erste funktionelle Ultraschallbildgebung des Rückenmarks beim Menschen durch, die die Integration der funktionellen Reaktionen des Rückenmarks auf elektrische Stimulation zeigte. Khaing et al.32 validierten die Korrelation zwischen Perfusionsbildgebungsindikatoren und der Schwere der Verletzung sowohl bei Ratten als auch bei Menschen nach akuter traumatischer Rückenmarksverletzung. Die Detektion und Analyse hämodynamischer Indizes in Pulswellen des Rückenmarks bedarf jedoch noch weiterer Untersuchungen.

Die Chiari-Fehlbildung stellt eine bedeutende und weit verbreitete Erkrankung des Rückenmarks dar. Es induziert dynamische Veränderungen der Zerebrospinalflüssigkeit und der Rückenmarkskompression, wodurch der Blutfluss des Rückenmarks und die Gefäßregulation gestört werden, was zu einer abnormalen venösen Drainage33, einem erhöhten Gefäßwiderstand34 und einer möglichen Ischämie des Rückenmarksführen kann 35. Die Beobachtung von Pulswellen des Rückenmarks ermöglicht ein tieferes Verständnis der hämodynamischen Veränderungen des Rückenmarks und bietet wertvolle Erkenntnisse für die Diagnose und Behandlung von Chiari-Fehlbildungen und anderen Erkrankungen des Rückenmarks36.

Diese Studie stellt ein umfassendes Protokoll für die Verwendung ultraschneller Doppler-Gefäßbildgebung zur intraoperativen Überwachung physiologischer Parameter des Rückenmarks beim Menschen vor, mit besonderem Schwerpunkt auf der Anwendung bei einem Patienten mit Chiari-Fehlbildung. Diese Methode ermöglicht die Echtzeiterfassung von ultraschnellen Dopplerdaten mit hoher Bildrate während der Exposition des Rückenmarks, gefolgt von einer Nachbearbeitung, um pixelweise Karten von RI und PI zu erstellen.

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Protokoll

An dieser Studie nahmen Probanden teil, und alle Verfahren wurden in Übereinstimmung mit den Protokollen durchgeführt, die von der Ethikkommission für die Humanforschung des Huashan-Krankenhauses, das der Fudan-Universität angegliedert ist, genehmigt wurden (2021-065). Von allen Teilnehmern wurde eine Einverständniserklärung eingeholt. Die Implementierung war ausschließlich für vorläufige Forschungs- und Validierungszwecke gedacht, nicht für die klinische Diagnose. Relevante, von der FDA empfohlene Sicherheitsindizes wurden bewertet, um die Einhaltung der festgelegten Sicherheitsstandards zu gewährleisten. Bei den Patienten, die in diese Studie eingeschlossen wurden, wurde eine Chiari-Fehlbildung diagnostiziert. Die Ein-, Ausschluss- und Exmatrikulationskriterien für Teilnehmer sind in der Zusatzdatei 1 aufgeführt. Die verwendeten Reagenzien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.

1. Vorbereitung des Instruments

  1. Bereiten Sie das Ultraschallbildgebungssystem vor.
    1. Verbinden Sie das lineare Array mit 128 Kanälen mit dem programmierbaren Ultraschallsystem.
      HINWEIS: Schützen Sie die Ultraschallsonde mit einem speziell angefertigten Gehäuse, das mit 3D-Software modelliert und durch 3D-Druck hergestellt wurde. Bei der in dieser Studie verwendeten Sonde handelte es sich um eine miniaturisierte, kundenspezifische Version und nicht um eine kommerzielle Version. Die in dieser Studie verwendete Ultraschallsystemplattform wurde bereits in mehreren Studien zur Untersuchung der menschlichen Gefäßbildgebung eingesetzt 37,38,39,40.
    2. Stellen Sie die Mittenfrequenz des Wandlers auf 15,625 MHz ein, was einer räumlichen Auflösung von 100 μm entspricht.
    3. Stellen Sie sicher, dass der Abstand zwischen benachbarten Elementen auf 0,1 mm konfiguriert ist.
  2. Kalibrieren Sie das Gerät, testen Sie den Code und stellen Sie sicher, dass das System ordnungsgemäß funktioniert.
  3. Richten Sie eine Plattform für stabile Bildgebung ein.
    1. Positionieren Sie den Roboterarm neben der Operationsliege und verriegeln Sie ihn sicher an Ort und Stelle, um die Sonde anschließend zu fixieren.
    2. Stellen Sie sicher, dass die Sonde während der gesamten Bildgebungssitzung fixiert bleibt.
      HINWEIS: Dieser Aufbau minimiert Verwacklungen und Positionsverschiebungen, die durch manuelle Bedienung verursacht werden, und verbessert so die Stabilität und Konsistenz der Sondenpositionierung während der Bildgebung.

2. Vorbereitung der Ultraschallsequenz

  1. Stellen Sie eine geeignete Bildgebungstiefe entsprechend der B-Mode-Ultraschallbildgebung ein.
  2. Legen Sie die zusammengesetzte Bildrate auf 1000 Hz fest.
  3. Stellen Sie die Erfassungszeit auf 0,4 s ein.
  4. Senden Sie 11 gekippte Ebenenwellen in gleichmäßigen Abständen zwischen -10° und +10° mit einer Impulswiederholfrequenz von 11.000 Hz.
    HINWEIS: Gekippte ebene Wellen werden in verschiedenen Winkeln relativ zur Seitenachse der Sonde emittiert. In dieser Studie waren 11 ebene Wellen gleichmäßig von -10° bis +10° verteilt.

3. Positionierung der Sonde

  1. Decken Sie die Ultraschallsonde mit einem sterilen Schutzbeutel für medizinische Instrumente ab (Abbildung 1A).
    1. Tragen Sie eine großzügige Menge Ultraschallgel in den sterilen Beutel auf.
    2. Führen Sie die Sonde in den Beutel ein.
    3. Sichern Sie die Sonde mit einem Gummiband im Beutel.
      HINWEIS: Die akustische Kopplung wurde durch Auftragen von sterilem Ultraschallgel auf die Innenfläche des sterilen Beutels, der die Sonde umschloss, erreicht. Der Beutel selbst wurde direkt mit menschlichem Gewebe in Kontakt gebracht, was eine effektive Ultraschallübertragung ohne direkten Kontakt zwischen dem Kopplungsmedium und dem Gewebe ermöglicht.
  2. Sichern Sie die Sonde mit dem Roboterarm (Abbildung 1B).
    1. Positionieren Sie die Sonde nach der Laminektomie genau auf der freiliegenden Oberfläche des Rückenmarks.
    2. Stabilisieren Sie die Sonde mit dem Roboterarm, um eine gleichbleibende Positionierung während der Bildgebung zu gewährleisten.
      HINWEIS: Der pneumatische Roboterarm wurde zur Stabilisierung der Ultraschallsonde verwendet. Obwohl es keine automatischen Scanfunktionen gibt, ermöglicht der Arm eine präzise manuelle Positionierung und Stabilität während des gesamten Datenerfassungsprozesses. Der Arm, der im Operationssaal ausgestattet war, wurde vom Hauptchirurgen manuell gesteuert und fixiert. Zuerst wurden alle wichtigen Gelenke gesichert, gefolgt von der Feinjustierung des Endgelenks, das die Sonde unter B-Modus-Ultraschallführung hält.

4. Datenerfassung

  1. Stellen Sie eine geeignete Bildgebungstiefe entsprechend der B-Mode-Ultraschallbildgebung ein.
  2. Verwenden Sie die Echtzeit-B-Mode-Ultraschallbildgebung, um die geeignete Bildgebungsebene zu identifizieren.
  3. Lokalisieren Sie den Kleinhirnvorfall, die Mandeln und das Rückenmark.
    HINWEIS: Bestätigen Sie die korrekte Ausrichtung, wenn sowohl das Rückenmark als auch die Kleinhirnmandeln innerhalb derselben Bildgebungsebene deutlich sichtbar sind, mit unterscheidbaren Grenzen und angemessener anatomischer Ausrichtung. Stellen Sie in der B-Modus-Bildgebungsebene sicher, dass die Kleinhirnmandeln dem Rückenmark überlegen erscheinen und dass der dorsale Rand des Rückenmarks klar definiert ist und eine Links-Rechts-Symmetrie aufweist. Nachdem Sie die korrekte Bildgebungsebene bestätigt haben, nehmen Sie ein einzelnes ultraschnelles Dopplerbild auf, um das Vorhandensein und die Stabilität von Blutflusssignalen zu überprüfen.
  4. Beenden Sie die B-Mode-Sequenz und initiieren Sie die ultraschnelle Sequenz für die Datenerfassung.
    HINWEIS: Führen Sie den Vorgang unter normalen Bedingungen bei Raumtemperatur durch. Die Bildgebungsdauer ist kurz, und die Sonde zeigte während der Aufnahme keinen merklichen Temperaturanstieg. Diese Methode ermöglicht eine klare Visualisierung der Rückenmarksstrukturen während der Operation, ermöglicht präzise Sondenanpassungen, um eine optimale Gefäßbildgebung zu erreichen, und ermöglicht den Vergleich mit präoperativen MRT-Bildern. In dem in dieser Studie vorgestellten Fall betrug der ursprüngliche Abbildungstiefenbereich 0,5 bis 9,5 mm. Die tatsächliche Abbildungstiefe wurde über alle Panels hinweg konstant gehalten.

5. Analyse des pulsierenden Blutflusssignals des Rückenmarks vor der Therapie (Abbildung 2)

  1. Erzeugen Sie Power-Doppler-Bilder des Rückenmarksgefäßsystems. (Abbildung 3)
    HINWEIS: Die Sondenstabilität wurde durch eine Leistungsdoppler-Bildgebungsanalyse bewertet. Die konsistente Visualisierung von räumlich unterschiedlichen Gefäßen ohne Schmierartefakte zeigt die Wirksamkeit des Roboterarms bei der Erhaltung eines stabilen akustischen Fensters während der Erfassung.
    1. Führen Sie Beamforming mit den erfassten Hochfrequenzdaten durch.
    2. Wenden Sie die auf Singulärwertzerlegung (SVD) basierende raumzeitliche Filtermethode an, um Gewebesignale von Blutflusssignalen zu trennen und hochfrequentes Rauschen zu entfernen. Legen Sie geeignete Schwellenwerte fest, um die gewünschten Blutflusskomponenten zu extrahieren.
      HINWEIS: Das Ultraschallbildsignal besteht aus Komponenten des Weichgewebes, des Blutflusses und des zufälligen Rauschens. SVD-basierte raumzeitliche Filterung trennt diese Komponenten anhand ihrer raumzeitlichen Eigenschaften41. Bei diesem Verfahren werden die Ultraschallbilddaten in singuläre Vektoren und die entsprechenden singulären Werte zerlegt. Durch das Festlegen einer Filterschwelle der singulären Werte werden große singuläre Werte mit Eigenvektoren assoziiert, die Gewebekomponenten mit starker raumzeitlicher Korrelation darstellen, mittlere singuläre Werte entsprechen dynamischen Blutflusssignalen und kleine singuläre Werte stellen hauptsächlich Rauschen dar. In dieser Studie wurden die SVD-Schwellenwerte so festgelegt, dass die einzelnen Komponenten 80-380 vor der Elektrokauterbehandlung und 50-380 nach einem chirurgischen Eingriff erhalten bleiben. Diese Schwelle wurde empirisch auf der Grundlage früherer Erfahrungen ermittelt (Ergänzende Abbildung 7).
    3. Demodulieren Sie das gefilterte Blutflusssignal in Inphase/Quadratur (IQ)-Komplexsignale figure-protocol-1. Berechnen Sie die mittlere Signalintensität an jedem Pixel, um das Leistungsdopplerbild PW (x,z) zu erhalten (Gleichung 1)15. Nt ist die Anzahl der erfassten Frames.
      figure-protocol-2 (1)
      HINWEIS: Geeignete Dopplerdaten zeichnen sich durch eine klare Gefäßdarstellung und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aus. Wenn die Gefäßvisualisierung suboptimal ist, wiederholen Sie Schritt 5.1.2 und passen Sie den SVD-Schwellenwertbereich entsprechend an.
  2. Führen Sie eine Zeit-Frequenz-Analyse des Dopplersignals durch (Abbildung 4).
    1. Segmentieren Sie das Blutflusssignal anhand eines kurzen Zeitfensters (Abbildung 4A).
    2. Wenden Sie die schnelle Fourier-Transformation (FFT) an, um die spektrale Leistungsdichte an jedem Pixel zu schätzen (Abbildung 4B).
      HINWEIS: Die Fensterlänge wurde so gewählt, dass sie mindestens einen Herzzyklus ausreichend abdeckt, um sicherzustellen, dass sowohl die systolische als auch die diastolische Frequenzkomponente zuverlässig identifiziert werden können. Ein Hann-Fenster wurde verwendet, um spektrale Leckagen zu reduzieren, und benachbarte Fenster wurden überlappend, um die zeitliche Auflösung zu verbessern. In dieser Studie wurde die FFT unter Verwendung eines Hann-Fensters der Länge 80 mit einer Überlappung von 70% angewendet.
    3. Schieben Sie das Fenster stufenlos, um die zeitlich veränderliche mittlere Dopplerfrequenz zu erhalten.
  3. Berechnen Sie RI- und PI-Karten (Abbildung 4C und Abbildung 5A-D).
    1. Analysieren Sie die durchschnittliche Dopplerfrequenz von Blutflusssignalen über die Zeit an bestimmten Pixeln (Abbildung 4C).
      HINWEIS: Die Gültigkeit der Frequenzanalyse kann durch die Beobachtung periodischer Schwankungen der durchschnittlichen Dopplerfrequenz bestätigt werden, die dem Herzzyklus entsprechen.
    2. Bestimmen Sie die Blutflussgeschwindigkeit und ihre Variationen, um RI (Gleichung 2)15 und PI (Gleichung 3)15 zu berechnen. VPSV ist die maximale systolische Geschwindigkeit, VEDV ist die enddiastolische Geschwindigkeit und VMittelwert ist die mittlere Strömungsgeschwindigkeit.
      figure-protocol-3 (2)
      figure-protocol-4 (3)
    3. Vereinfachen Sie die RI- und PI-Berechnung mit der Dopplerfrequenz. Berechnen Sie RI (Gleichung 4) und PI (Gleichung 5) über das gesamte Rückenmark. fmean(x,z,t) ist die durchschnittliche Dopplerfrequenz innerhalb eines definierten Zeitfensters15.
      figure-protocol-5 (4)
      figure-protocol-6 (5)
      HINWEIS: Aufgrund des Blutflusses erfährt das Ultraschallsignal eine Frequenzabweichung, die als Dopplerverschiebung bekannt ist und mit der Blutflussgeschwindigkeit V zusammenhängt (Gleichung 6). fDoppler stellt die Dopplerfrequenzverschiebung dar, c0 bezeichnet die Schallgeschwindigkeit im menschlichen Weichgewebe, fImpuls ist die übertragene Frequenz der Ultraschallsonde und ist der Winkel zwischen dem Ultraschallstrahl und der Richtung des Blutflusses15.
      figure-protocol-7 (6)
    4. Die durchschnittliche Dopplerfrequenz stellt den Mittelwert der Verschiebung innerhalb eines bestimmten Zeitfensters dar. Da V proportional zur Dopplerverschiebung ist, kann sie angenähert werden, indem die durchschnittliche Dopplerfrequenz an jedem Pixel über die Zeit ausgewertet wird.
  4. Statistische Analyse von RI und PI
    1. Verwenden Sie logische Masken, um gültige RI- und PI-Werte aus Interessenbereichen zu extrahieren und Ausreißer mit der IQR-Methode (Interquartile Range) auszuschließen.
    2. Führen Sie einen gewichteten Student's t-Test durch, um die Unterschiede zwischen prä- und postoperativen Bedingungen unter Berücksichtigung der pixelweisen Datenstruktur zu bewerten.
      HINWEIS: Statistische Analysen von RI und PI wurden auf Pixelebene durchgeführt, und Gruppenunterschiede wurden anhand von Boxplots mit Signifikanzniveaus visualisiert, die durch Sternchen gekennzeichnet sind (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001).

6. Patientenmanagement und Sicherheit von Bildgebungsprotokollen

  1. Überwachen Sie die Vitalfunktionen genau. Überwachen Sie während der Bildgebung kontinuierlich Herzfrequenz, Blutdruck, Atemfrequenz, Sauerstoffsättigung und Körpertemperatur. Gewährleisten Sie die Sicherheit und den Komfort des Patienten während des gesamten Eingriffs.
    HINWEIS: Es wird auch eine intraoperative neurophysiologische Überwachung (z. B. somatosensorisch evozierte Potentiale und motorisch evozierte Potentiale) durchgeführt, wobei zu berücksichtigen ist, dass während der Operation Nervenschäden auftreten können.
  2. Stellen Sie einen angemessenen Sondendruck sicher. Verwenden Sie den Roboterarm, um einen stabilen und ausreichenden Druck auf die Sonde aufrechtzuerhalten. Vermeiden Sie übermäßige Gewalt, die die Oberfläche des Rückenmarks beschädigen könnte.
  3. Pflegen Sie die Kommunikation mit dem Operationsteam. Kommunizieren Sie während des gesamten Bildgebungsprozesses klar mit dem Operationsteam. Reagieren Sie umgehend auf Beschwerden oder unerwartete Situationen des Patienten.

7. Erfassung und Analyse des pulsierenden Blutflusssignals des Rückenmarks nach der Therapie

  1. Wiederholen Sie die in Schritt 5 beschriebenen Schritte, um das Blutflusssignal des Rückenmarks nach der Behandlung zu analysieren.
    HINWEIS: Nach der elektrokauterologischen Behandlung zogen sich die Kleinhirnmandeln mit reduziertem Volumen zurück, stumpfte Ränder ab und stellte die anatomischen Beziehungen zu den umgebenden Gewebestrukturen wieder her (Abbildung 6). Die Datenerfassung erfolgte zu zwei unterschiedlichen intraoperativen Zeitpunkten: vor der elektrokauterologischen Behandlung und nach dem chirurgischen Eingriff. Derzeit befindet sich die Erforschung von RI und PI noch in einem frühen Stadium und wurde noch nicht für eine chirurgische Anleitung in Echtzeit implementiert. So konnte der chirurgische Eingriff kurz nach der schnellen Datenerfassung ohne nennenswerte Unterbrechung fortgesetzt werden. Anschließend wurden die gesammelten Daten offline verarbeitet (ca. 5-10 Minuten, Einzelheiten zu den Verarbeitungsschritten und dem Zeitplan sind in der Zusatzdatei 2 enthalten), um sicherzustellen, dass der chirurgische Arbeitsablauf nicht beeinträchtigt wurde. Wenn RI und PI in Zukunft zur Unterstützung der intraoperativen Entscheidungsfindung eingesetzt werden können, wird erwartet, dass sie integriert werden, ohne den chirurgischen Zeitplan zu stören.

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Ergebnisse

Der ultraschnelle Doppler bietet eine hohe Empfindlichkeit und ermöglicht die Abbildung des Gefäßnetzwerks des Rückenmarks mit hoher zeitlicher Auflösung. Im Vergleich zum Farbdoppler bietet der Leistungsdoppler ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)42. Für den SVD-basierten raumzeitlichen Filter wurde ein geeigneter Schwellenwert verwendet, der die Identifizierung gültiger Blutflusssignale und die Abbildung der Blutflussrichtung ermöglicht. Abbildung 3E,F...

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Diskussion

In dieser Studie wurde die ultraschnelle Doppler-Bildgebung intraoperativ eingesetzt, um den Blutfluss des menschlichen Rückenmarks zu extrahieren. Anschließend wurden die Spektralanalyse und die Berechnung des RI und PI an den Blutflusssignalen durchgeführt, um Power-Doppler-Bilder des Rückenmarksgefäßsystems und entsprechende RI- und PI-Karten des Patienten mit Chiari-Fehlbildung zu erhalten. Im Zusammenhang mit dem ultraschnellen Ultraschall beziehen sich kleine Gefäße auf Gefäße mit ...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessenkonflikte haben.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde vom National Key Research and Development Program of China (Nr. 2023YFC2410900), der National Natural Science Foundation of China (Nr. 12274093) und dem Shanghai International Science and Technology Cooperation Program (Grant No. 23490713500) unterstützt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
MATLAB  Nr. R2022bMathWorks (Englisch)N/AZur Nachbearbeitung von Daten
MikroskopZEISSPENTERO 8O0 SFür die intraoperative mikroskopische Betrachtung
Programmierbares UltraschallsystemVerasonics (Englisch)Aussicht: 256Für die Ultraschallbildgebung von Wirbelsäulengefäßen
RoboterarmÄskulap RT060RZur Fixierung der Sonde
Einkristallige Hochfrequenz-Linear-Array-WandlerVerasonics (Englisch)L22-14vX Für die Ultraschallbildgebung von Wirbelsäulengefäßen
Ultraschall-GelSpaß für BabysTyp MBeseitigen Sie den Luftspalt zwischen der Sonde und der Kontaktfläche

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