Abbildung der Dehnungsbelastung eines Bauchaortenaneurysmas
Quelle: Hannah L. Cebull1, Arvin H. Soepriatna1, John J. Boyle2 und Craig J. Goergen1
1 Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, We…
1. 4D-Ultraschall-Setup
- Verwenden Sie bei der Verwendung der Imaging-Software einen Laptop, der mathematische Computersoftware ausführt, um den 4D-Erfassungsprozess zu automatisieren. Schließen Sie den Laptop mit diesem benutzerdefinierten Code über den USB-Anschluss an das Ultraschallsystem an. Beachten Sie, dass die Bildverarbeitungssoftware über eine 4D-Ultraschallfunktion verfügt, die in die Software integriert ist.
- Nach dem Einschalten des Ultraschallsystems richten Sie die physiologische Überwachungseinheit ein und stellen Sie gleichzeitig sicher, dass die Herzfrequenz- und Temperaturtasten eingeschaltet sind. Initialisieren Sie die am Wandlerhalter befestigte 3D-Motorstufe.
- Verwenden Sie den entsprechenden Bühnen- und Ultraschallwandler für die Bildaufnahme. Stellen Sie sicher, dass alle richtigen Verbindungen hergestellt werden.
- Fahren Sie mit der Anästhesisierung fort und bereiten Sie das Tier auf die Bildgebung vor. Fügen Sie den Augen eine ophthalmologische Salbe hinzu, um eine Hornhautaustrocknung zu verhindern, die Pfoten an den Bühnenelektroden zu befestigen und eine geschmierte rektale Temperatursonde einzufügen. Pelz im Interessenbereich mit einer Enthaarungscreme entfernen.
- Stellen Sie sicher, dass enthaart Creme abgeschlossen ist entfernt. Dann eine großzügige Menge des erwärmten Ultraschall-Transducing-Gels auf das Tier auftragen. Dies ist besonders wichtig, um eine gute Verbindung über die gesamte Interessensregion für die 4D-Bildgebung zu schaffen.
2. 4D-Ultraschall-Erfassung
- Beginnen Sie eine neue Studie über das Ultraschallsystem und öffnen Sie das Bildgebungsfenster im B-Modus (Helligkeitsmodus). Senken Sie den Messumformer auf das Tier und lokalisieren Sie den Interessenbereich mit den x- und y-Achsenknöpfen auf der Bühne, um sicherzustellen, dass die Atemfrequenz nicht wesentlich abnimmt. Überwachen Sie dies am unteren Bildschirmrand.
- Positionieren Sie den Messumformer in der Mitte der Interessenregion. Von dort aus, ungefähr die Entfernung für den Wandler benötigt, um nach oben und unten zu bewegen, so dass die gesamte Region von Interesse enthalten ist.
- Geben Sie die ungefähren Abmessungen in den Computersoftwarecode ein, einschließlich einer Schrittgröße, die in der Regel 0,08 mm für die Abdominalaortenaneurysm-Bildgebung beträgt. Beginnen Sie mit dem Ausführen des Codes, nachdem Sie sichergestellt haben, dass das Herz und die Atemfrequenzen des Tieres stabil sind. Dies ist wichtig, um Fehler beim Rekonstruieren von Bildern zu reduzieren.
- Exportieren Sie die Daten nach Abschluss der Bildaufnahme als XML-Rohdateien.
3. 4D-Ultraschall-Datenkonvertierung
- Geben Sie die UN-XML-Dateien in software ein, die die Daten in das richtige Format für die 3D-Fleckenanalyse konvertieren kann. Hier verwenden wir Matlab, um XML-Dateien in MAT-Dateien zu konvertieren. Das vollständige Matlab-Skript finden Sie hier.
- Für eine ordnungsgemäße Konvertierung müssen auch die Anzahl der Frames, die Schrittgröße und die gewünschte Ausgabeauflösung eingegeben werden.
- Importieren Sie nach dem erneuten Sampling der Matrix in der Ebene die neue MAT-Datei in den 3D-Stammanalysecode.
4. 3D-Dehnungscodeanalyse
- Beginnen Sie mit der Analyse, indem Sie die importierte MAT-Datei ordnungsgemäß anpassen. Beispielsweise muss das Bildvolumen möglicherweise neu skaliert werden, um die Berechnungszeit zu reduzieren.
- Geben Sie den zu analysierenden Bereich ein, und bestimmen Sie die entsprechende Netzvorlage, um die Bilddaten entweder als einfache Felder oder manuell ausgewählte Polygone zu segmentieren. Die Boxgröße der Bereiche und der Abstand zwischen den Mittelpunkten müssen möglicherweise für jeden Datensatz geändert werden. Die optimalen Zahlen, die für die Boxgröße ausgewählt werden, entsprechen der Reihenfolge der Pixel des nachverfolgten Features, die durch Betrachten der Anzahl der Pixel in zwei Dimensionen in einem Segment angenähert werden können. Der Abstand der Felder bestimmt die Auflösung der Dehnungsfelder. Mehr Boxen erhöhen die Auflösung, können aber auch die Rechenzeit erheblich erhöhen.
- Beginnen Sie, die Jakobianer und Gradienten iterativ innerhalb jeder dieser Regionen zu berechnen. Wenden Sie nach Abschluss der Vorberechnung die Verwarbfunktion an.
- Berechnen Sie den Verformungsgradiententensor. Berechnen Sie zuerst die Dehnung und dann die Eigenwerte und Eigenvektoren mit der Methode zur Schätzung der direkten Verformung.
- Zeichnen Sie diese Ergebnisse in den gewünschten Ebenen mit einer Technik wie der Farbzuordnung einer Schnittebene, um das Dehnungsfeld über Ihrem Interessenbereich darzustellen.
Die dreidimensionale Dehnungsbildgebung wird verwendet, um die Verformung von Weichteilen im Laufe der Zeit abzuschätzen und Krankheiten zu verstehen. Das mechanische Verhalten von Weichteilen wie Haut, Blutgefäßen, Sehnen und anderen Organen wird stark von ihrer extrazellulären Zusammensetzung beeinflusst, die sich durch Alterung und Krankheit verändern kann. Innerhalb komplexer biologischer Gewebe ist es wichtig, diese Veränderungen zu charakterisieren, die die mechanischen und funktionellen Eigenschaften eines Organs erheblich beeinflussen können.
Die quantitative Dehnungskartierung verwendet volumetrische Bilddaten und eine Methode zur direkten Verformungsschätzung, um die räumlich variierenden dreidimensionalen Dehnungsfelder zu berechnen. In diesem Video werden die Prinzipien des Strain Mapping veranschaulicht, gezeigt, wie quantitatives Strain Mapping zur Abschätzung von Dehnungsfeldern in komplexen biologischen Geweben eingesetzt wird, und weitere Anwendungen diskutiert.
Biologische Gewebe werden stark von der Zusammensetzung und Ausrichtung von Elastin und Kollagen beeinflusst. Das Protein Elastin ist ein hochelastischer Bestandteil von Geweben, die sich ständig dehnen und zusammenziehen, wie z. B. Blutgefäße und die Lunge. Kollagen ist das am häufigsten vorkommende Protein im Körper und besteht aus einzelnen dreifach helikalen Polymeren, die zu größeren Fasern gebündelt sind, die dem Gewebe von der Haut bis zu den Knochen strukturelle Integrität verleihen.
Die Orientierung dieser Proteine reicht von ausgerichteten Fasern bis hin zu faserigen Netzen, was sich auf die mechanischen Eigenschaften des Gewebes auswirkt. Die Dehnung ist ein Maß für die relative Verformung von Weichteilen im Laufe der Zeit und kann zur Visualisierung von Verletzungen und Krankheiten verwendet werden. Sie wird mit Hilfe mathematischer Schätzungen beschrieben und kartiert.
Um die Belastung in komplexen Organen, wie z.B. dem Herzen, abzubilden, können vierdimensionale Ultraschalldaten verwendet werden, die hochauflösende, räumliche und zeitliche Informationen liefern. Anschließend wird die Methode zur Schätzung der direkten Verformung (DDE) auf die Daten angewendet. Ein Code wird verwendet, um die 3D-Verformung und die entsprechenden Green-Lagrange-Dehnungen anhand der folgenden Gleichung zu schätzen.
Der Green-Lagrange-Dehnungstensor hängt vom Verformungsgradiententsor und dem Identitätstensor zweiter Ordnung ab. Verformungsgradiententensoren werden traditionell aus Verschiebungsfeldern geschätzt. Bei der DDE-Methode wird eine Wölbungsfunktion so optimiert, dass sie direkt analog zum Verformungstensor ist. Die Verzerrungsfunktion hängt sowohl von der räumlichen Position als auch vom Verzerrungsparameter ab. Die Berechnung der Verformung fließt direkt in die Wölbfunktion ein. Die ersten neun Elemente stellen den Verformungsgradiententensor dar.
Diese Methode wird verwendet, um sowohl große als auch lokalisierte Verformungen in Weichgeweben abzuschätzen. Nachdem wir nun die Prinzipien des Stammmappings verstanden haben, sehen wir uns nun an, wie das Stammmapping durchgeführt wird, um Aortenaneurysmen bei Mäusen zu erkennen.
Um mit der Einrichtung zu beginnen, öffnen Sie die Vivo 2100-Software und verbinden Sie den Laptop mit dem Ultraschallsystem. Stellen Sie sicher, dass das physiologische Überwachungsgerät eingeschaltet ist, um Herzfrequenz und Temperatur zu messen. Initialisieren Sie dann den 3D-Motortisch.
Installieren Sie den Ultraschallwandler und stellen Sie sicher, dass alle richtigen Verbindungen hergestellt sind. Als nächstes wird das Tier, das abgebildet werden soll, mit 3 % Isofluran in einer Knock-down-Kammer anästhesiert. Sobald die Maus betäubt ist, bewegen Sie sie auf die beheizte Bühne und befestigen Sie einen Nasenkonus, um 1-2% Isofluran zu liefern. Tragen Sie eine Augensalbe auf die Augen auf und befestigen Sie die Pfoten an den Tischelektroden, um die Atmung und Herzfrequenz des Tieres zu überwachen. Setzen Sie dann einen rektalen Temperaturfühler ein. Tragen Sie Enthaarungscreme auf, um Haare aus dem interessierenden Bereich zu entfernen, und tragen Sie dann eine großzügige Menge warmes Ultraschallgel auf den enthaarten Bereich auf.
Um die Bildaufnahme zu starten, öffnen Sie zunächst das Imaging-Fenster und wählen Sie den B-Modus. Senken Sie dann den Schallkopf auf das Tier ab und verwenden Sie die Knöpfe auf der x- und y-Achse auf dem Tisch, um den gewünschten Bereich zu lokalisieren. Überwachen Sie die Atemfrequenz, um sicherzustellen, dass sie nicht wesentlich abnimmt. Positionieren Sie den Schallkopf in der Mitte des interessierenden Bereichs. Ermitteln Sie dann ungefähr die Entfernung, die erforderlich ist, um den gesamten Interessenbereich abzudecken.
Geben Sie diese Abmessungen in den MATLAB-Code ein und wählen Sie eine Schrittweite von 0,08 Millimetern. Stellen Sie sicher, dass die Herz- und Atemfrequenz des Tieres stabil ist, und führen Sie dann den MATLAB-Code aus.
Exportieren Sie die Daten nach der Bildaufnahme als XML-Rohdateien und konvertieren Sie sie in MAT-Dateien. Stellen Sie sicher, dass Sie die Anzahl der Frames, die Schrittgröße und die Ausgabeauflösung eingeben. Führen Sie dann ein erneutes Abtasten der Matrix in der Through-Plane durch.
Importieren Sie die neue MAT-Datei in den 3D-Dehnungsanalysecode. Es kann erforderlich sein, die Datei neu zu skalieren, um die Rechenzeit zu verkürzen. Geben Sie dann den zu analysierenden Bereich ein. Ungefähren Sie die Anzahl der Pixel in einem zweidimensionalen Ausschnitt des verfolgten Features, und wählen Sie die Mesh-Vorlage entweder als einfaches Feld oder als manuell ausgewählte Polygone aus. Wählen Sie die optimale Pixelzahl für die Maschenweite. Berechnen Sie die Jacobi-Werte und die Gradienten. Wiederholen Sie den Vorgang für jede Region. Wenden Sie dann die Warping-Funktion an.
Bestimmen Sie anschließend mit kartesischen Verformungen, die aus DDE berechnet werden, die Eigenwerte und Eigenvektoren der Verformung. Wählen Sie dann die Schichten aus, für die Sie Dehnungswerte plotten möchten, indem Sie durch die Ansichten "Längsachse", "Sortierachse" und "Koronalachse" scrollen.
Drücken Sie Verteiler für Analyse auswählen. Verwenden Sie dann den Cursor, um Markierungen entlang der Aortenwand zu platzieren, einschließlich des Thrombus, des Aneurysmas und der gesunden Teile der Aorta. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alle Ansichten. Verwenden Sie abschließend die Farbzuordnung, um die Ergebnisse des Dehnungsfelds über den interessierenden Bereich darzustellen.
Schauen wir uns das Beispiel eines Angiotensin-II-induzierten suprarenalen Präparieraneurysmas des abdominalen Aortenaneurysmas genauer an, das von einer Maus gewonnen wurde. Zunächst werden mehrere EKG-gesteuerte Visualisierungsschleifen mit kurzer Achse in einer bestimmten Schrittweite entlang der Aorta erhalten und zu 4D-Daten kombiniert.
Nach der Durchführung einer 3D-Dehnungsberechnung mit einer optimierten Warping-Funktion wird das 3D-Schichtvisualisierungsdiagramm der infrarenalen Aorta erhalten. Die Farbkarte des grünen Hauptstamms wird überlagert, um Regionen mit heterogener Aortenwanddehnung hervorzuheben. Darüber hinaus zeigen Ansichten der langen und kurzen Achse heterogene räumliche Variationen der Dehnung, insbesondere wenn ein Thrombus vorhanden ist.
Entsprechende Dehnungsdiagramme zeigen höhere Dehnungswerte in gesunden Regionen der Aorta auf der langen Achse, während die aneurysmatische Region eine verringerte Dehnung in der kurzen Achse zeigt.
Die genaue quantitative Dehnungsvisualisierung mittels direkter Verformungsschätzung ist ein nützliches Werkzeug, das in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen eingesetzt wird.
So kann beispielsweise die Belastung des Herzens quantifiziert werden. Während des Herzzyklus erfährt das Myokard eine 3D-Verformung. Die Quantifizierung der Dehnung in drei Dimensionen ist ein wesentlicher Bestandteil der zuverlässigen Charakterisierung der Dynamik dieses Gewebes im Laufe der Zeit. Dies ist nützlich, um das Fortschreiten der Krankheit in Tiermodellen zu verfolgen.
Eine weitere Anwendung liegt in der Charakterisierung von Darmgewebe. Die In-vivo-Bildgebung des Darms ist aufgrund der Auswirkungen der umgebenden Strukturen eine Herausforderung. Die Berechnung der Belastung aus Bildern der Darmfibrose könnte jedoch besonders nützlich sein, um problematische Bereiche, die einen chirurgischen Eingriff erfordern, frühzeitig zu erkennen.
In einem viel kleineren Maßstab wird diese DDE-Methode auch auf zellulärer Ebene angewendet, indem bildgebende Verfahren mit höherer Auflösung, wie z. B. die konfokale Mikroskopie, verwendet werden. Es dient z.B. bei der Charakterisierung der extrazellulären Matrix, um zu verstehen, wie Zellen unter mechanischen Veränderungen kommunizieren.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die quantitative Dehnungsvisualisierung gesehen. Sie sollten jetzt verstehen, wie man dreidimensionale Dehnungen in biologischen Geweben misst und wie dies bei der Früherkennung von Krankheiten eingesetzt wird. Danke fürs Zuschauen!
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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.