6: Mapeo cuantitativo de la deformación de un aneurisma de la aorta abdominal

1. Configuración por ultrasonido 4D

1. Cuando utilice el software de imágenes, utilice un portátil capaz de ejecutar software informático matemático para automatizar el proceso de adquisición 4D. Conecte el portátil con este código personalizado al sistema de ultrasonido a través del puerto USB. Tenga en cuenta que el software de imágenes tiene una función de ultrasonido 4D integrada en el software.
2. Después de encender el sistema de ultrasonido, configure la unidad de monitoreo fisiológico mientras se asegura de que los botones de frecuencia cardíaca y temperatura estén encendidos. Inicializar la etapa del motor 3D conectada al soporte del transductor.
3. Utilice el estadio y el transductor de ultrasonido adecuados para la adquisición de imágenes. Asegúrese de que se realizan todas las conexiones adecuadas.
4. Proceda con la anestesia y preparación del animal para la toma de imágenes. Añadir pomada oftálmica a los ojos para evitar la desecación corneal, asegurar las patas a los electrodos del escenario, e insertar una sonda de temperatura rectal lubricada. Retire el pelaje en el área de interés usando una crema depilatoria.
5. Asegúrese de que la crema depilatoria se haya completado. A continuación, aplicar una cantidad generosa de gel de transducción ultrasónica calentado al animal. Esto es especialmente importante para crear una buena conexión en toda la región de interés para las imágenes 4D.

2. Adquisición de ultrasonido sin ultrasonido 4D

1. Comience un nuevo estudio sobre el sistema de ultrasonido y abra la ventana de imágenes en modo B (modo de brillo). Baje el transductor sobre el animal y localice la región de interés utilizando las perillas de los ejes X e Y en el escenario, asegurándose de que la frecuencia respiratoria no disminuya sustancialmente. Monitoree esto en la parte inferior de la pantalla.
2. Coloque el transductor dentro del centro de la región de interés. A partir de ahí, se aproxima la distancia necesaria para que el transductor se mueva hacia arriba y hacia abajo de tal forma que se incluya toda la región de interés.
3. Introduzca las dimensiones aproximadas en el código de software informático, incluido un tamaño de paso que suele ser de 0,08 mm para las imágenes de aneurisma de la aorta abdominal. Comience a ejecutar el código después de asegurarse de que el corazón del animal y las tasas respiratorias estén estables. Esto es importante para reducir los errores al reconstruir imágenes.
4. Después de completar la adquisición de imágenes, exporte los datos como archivos XML sin procesar.

3. Conversión de datos de ultrasonido 4D

1. Introduzca los archivos XML sin procesar en software que pueda convertir los datos en el formato adecuado para el análisis de manchas 3D. Aquí usamos Matlab para convertir archivos XML en archivos MAT. El script completo de Matlab está disponible aquí.
2. Para una conversión adecuada, también será necesario introducir el número de fotogramas, el tamaño del paso y la resolución de salida deseada.
3. Después de volver a muestrear la matriz a través del plano, importe el nuevo archivo MAT en el código de análisis de deformación unitaria 3D.

4. Análisis de código de tensión 3D

1. Comience el análisis ajustando correctamente el archivo MAT importado. Por ejemplo, es posible que sea necesario cambiar la escala del volumen de la imagen para reducir el tiempo de cálculo.
2. Introduzca la región que se va a analizar y determine la plantilla de malla adecuada para segmentar los datos de imagen como cuadros simples o polígonos elegidos manualmente. Es posible que sea necesario modificar el tamaño del cuadro de las regiones y el espaciado entre los puntos centrales para cada conjunto de datos. Los números óptimos elegidos para el tamaño del cuadro estarán alrededor del orden de píxeles de la entidad que se está rastreando, que se puede aproximar mirando el número de píxeles en dos dimensiones en un sector. El espaciado de las cajas determinará la resolución de los campos de deformación unitaria. Más cajas aumentarán la resolución, pero también pueden aumentar sustancialmente el tiempo de cálculo.
3. Comience a calcular los jacobinos y gradientes iterativamente dentro de cada una de estas regiones. Una vez completado el precálculo, aplique la función de deformación.
4. Calcule el tensor de gradiente de deformación. Primero calcule la deformación unitaria y, a continuación, calcule los valores propios y los autovectores utilizando el método de estimación de deformación directa.
5. Trazar estos resultados en los planos deseados utilizando una técnica como la asignación de color de un plano de corte para representar el campo de deformación unitaria sobre la región de interés.

Las imágenes tridimensionales de deformación se utilizan para estimar la deformación de los tejidos blandos a lo largo del tiempo y comprender la enfermedad. El comportamiento mecánico de los tejidos blandos, como la piel, los vasos sanguíneos, los tendones y otros órganos, está fuertemente influenciado por su composición extracelular, que puede verse alterada por el envejecimiento y las enfermedades. Dentro de los tejidos biológicos complejos, es importante caracterizar estos cambios, que pueden afectar significativamente las propiedades mecánicas y funcionales de un órgano.

El mapeo cuantitativo de deformaciones utiliza datos de imágenes volumétricas y un método de estimación directa de deformaciones para calcular los campos de deformación tridimensionales que varían espacialmente. Este video ilustrará los principios del mapeo de deformación, demostrará cómo se utiliza el mapeo cuantitativo de deformaciones para estimar campos de deformación dentro de tejidos biológicos complejos y discutirá otras aplicaciones.

Los tejidos biológicos están fuertemente influenciados por la composición y orientación de la elastina y el colágeno. La proteína elastina es un componente altamente elástico de los tejidos que se estiran y contraen continuamente, como los vasos sanguíneos y los pulmones. El colágeno es la proteína más abundante en el cuerpo y se ensambla a partir de polímeros individuales de triple hélice que se agrupan en fibras más grandes que brindan integridad estructural a los tejidos que van desde la piel hasta los huesos.

La orientación de estas proteínas va desde fibras alineadas hasta redes de malla fibrosa, lo que afecta a las propiedades mecánicas del tejido. La deformación es una medida de la deformación relativa de los tejidos blandos a lo largo del tiempo y se puede utilizar para visualizar lesiones y enfermedades. Se describe y mapea mediante estimaciones matemáticas.

Para mapear la tensión en órganos complejos, como el corazón, se pueden utilizar datos de ultrasonido cuatridimensional, que proporcionan información de alta resolución, espacial y temporal. A continuación, se aplica a los datos el método de estimación de la deformación directa, o DDE. Se utiliza un código para estimar la deformación 3D y las deformaciones de Green-Lagrange correspondientes utilizando la siguiente ecuación.

El tensor de deformación de Green-Lagrange depende del tensor de gradiente de deformación y del tensor de identidad de segundo orden. Los tensores de gradiente de deformación se estiman tradicionalmente a partir de campos de desplazamiento. En el método DDE, una función de deformación se optimiza para que sea directamente análoga al tensor de deformación. La función de deformación depende tanto de la posición espacial como del parámetro de deformación. El cálculo de la deformación se incorpora directamente a la función de alabeo. Los primeros nueve elementos representan el tensor del gradiente de deformación.

Este método se utiliza para estimar deformaciones grandes y localizadas en los tejidos blandos. Ahora que entendemos los principios del mapeo de deformación, veamos cómo se realiza el mapeo de deformación para detectar aneurismas aórticos en ratones.

Para comenzar la configuración, abra el software Vivo 2100 y conecte la computadora portátil al sistema de ultrasonido. Asegúrese de que la unidad de monitoreo fisiológico esté encendida para medir la frecuencia cardíaca y la temperatura. A continuación, inicialice la etapa del motor 3D.

Instale el transductor de ultrasonido y asegúrese de que se realicen todas las conexiones adecuadas. A continuación, anestesiar al animal que se va a fotografiar con isoflurano al 3% en una cámara de desmontaje. Una vez que el ratón esté anestesiado, muévalo a la etapa calentada y asegure un cono de nariz para administrar 1-2% de isoflurano. Aplique ungüento oftálmico en los ojos y asegure las patas a los electrodos de la etapa para controlar la respiración y la frecuencia cardíaca del animal. A continuación, inserte una sonda de temperatura rectal. Aplique crema depilatoria para eliminar el vello del área de interés y luego aplique una cantidad generosa de gel de ultrasonido tibio en el área depilada.

Para iniciar la adquisición de imágenes, primero, abra la ventana de imágenes y seleccione el modo B. A continuación, baje el transductor sobre el animal y utilice los mandos de los ejes x e y de la platina para localizar el área de interés. Controle la frecuencia respiratoria para asegurarse de que no disminuya sustancialmente. Coloque el transductor en el centro de la región de interés. A continuación, aproxima la distancia necesaria para cubrir toda la región de interés.

Introduzca estas dimensiones en el código de MATLAB y elija un tamaño de paso de 0,08 milímetros. Asegúrese de que la frecuencia cardíaca y respiratoria del animal sea estable y, a continuación, ejecute el código de MATLAB.

Después de la adquisición de la imagen, exporte los datos como archivos XML sin procesar y conviértalos en archivos MAT. Asegúrese de introducir el número de fotogramas, el tamaño del paso y la resolución de salida. A continuación, vuelva a muestrear la matriz en el plano pasante.

Importe el nuevo archivo MAT en el código de análisis de deformación en 3D. Puede ser necesario cambiar la escala del archivo para reducir el tiempo de cálculo. A continuación, introduzca la región que se va a analizar. Calcule aproximadamente el número de píxeles de una división bidimensional de la entidad rastreada y seleccione la plantilla de malla como un cuadro simple o polígonos elegidos manualmente. Elija el número de píxeles óptimo para el tamaño de malla. Calcula los jacobianos y los gradientes. Repita el procedimiento para cada región. A continuación, aplique la función de deformación.

A continuación, utilizando deformaciones cartesianas calculadas a partir de DDE, determine los valores propios y los vectores propios de la deformación. A continuación, seleccione los sectores para los que desea trazar los valores de deformación desplazándose por las vistas de eje largo, eje de ordenación y eje coronal.

Presione Seleccionar colector para análisis. Luego, use el cursor para colocar marcadores a lo largo de la pared aórtica, incluyendo el trombo, el aneurisma y las partes sanas de la aorta. Repita el procedimiento para todas las vistas. Por último, utilice el mapeo de colores para trazar los resultados del campo de deformación en la región de interés.

Veamos de cerca el ejemplo de un aneurisma de aorta abdominal disecante suprarrenal inducido por angiotensina II adquirido de un ratón. En primer lugar, se obtienen múltiples bucles de visualización de kilohercios activados por ECG de eje corto a un tamaño de paso determinado a lo largo de la aorta y se combinan para crear datos 4D.

Después de realizar el cálculo de la deformación en 3D utilizando una función de deformación optimizada, se obtiene el gráfico de visualización de corte en 3D de la aorta infrarrenal. El mapa de colores de la deformación verde principal se superpone para resaltar las regiones de deformación heterogénea de la pared aórtica. Además, las vistas del eje largo y del eje corto revelan variaciones espaciales heterogéneas en la deformación, especialmente cuando hay un trombo presente.

Los diagramas de deformación correspondientes muestran valores de deformación más altos en las regiones sanas de la aorta en el eje largo, mientras que la región aneurismática muestra una deformación disminuida en el eje corto.

La visualización cuantitativa precisa de la deformación mediante la estimación directa de la deformación es una herramienta útil utilizada en diversas aplicaciones biomédicas.

Por ejemplo, se puede cuantificar la tensión cardíaca. Durante el ciclo cardíaco, el miocardio sufre una deformación 3D. La cuantificación de la deformación en tres dimensiones es fundamental para caracterizar de forma fiable la dinámica de este tejido a lo largo del tiempo. Esto es útil para rastrear la progresión de la enfermedad en modelos animales.

Otra aplicación es en la caracterización de tejido intestinal. La obtención de imágenes in vivo de los intestinos es un desafío debido a los efectos de las estructuras circundantes. Sin embargo, el cálculo de la deformación a partir de imágenes de fibrosis intestinal podría ser particularmente útil para proporcionar una detección temprana de áreas problemáticas que requieren intervención quirúrgica.

A una escala mucho menor, este método DDE también se aplica a nivel celular mediante el uso de técnicas de imagen de mayor resolución, como la microscopía confocal. Sirve, por ejemplo, en la caracterización de la matriz extracelular para entender cómo se comunican las células bajo cambios mecánicos.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la visualización cuantitativa de cepas. Ahora debería comprender cómo medir la deformación tridimensional en los tejidos biológicos y cómo se utiliza en la detección temprana de enfermedades. ¡Gracias por mirar!