מיפוי מאמץ כמותי של מפרצת באבי העורקים בבטן
מקור: חנה ל. קאבול1,ארווין ה. סופריאטנה1,ג'ון ג'יי בויל2 וקרייג ג'יי גורגן1
1 בית הספר וולדון להנדסה ביו-רפואית, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, אינדיאנ…
1. הגדרת אולטראסאונד 4D
- בעת שימוש בתוכנת ההדמיה, השתמש במחשב נייד המסוגל להפעיל תוכנת מחשוב מתמטית כדי להפוך את תהליך הרכישה של 4D לאוטומטי. חבר את המחשב הנייד עם קוד מותאם אישית זה למערכת אולטרסאונד באמצעות יציאת USB. שים לב כי תוכנת ההדמיה יש תכונת אולטרסאונד 4D משולב בתוכנה.
- לאחר הפעלת מערכת האולטרסאונד, הקימו את יחידת הניטור הפיזיולוגי תוך הקפדה על קצב הלב וכפתורי הטמפרטורה. אתחל את שלב המנוע 3D המחובר למחזיק המתמר.
- השתמש במתמר השלב והאולטרסאונד המתאים לרכישת תמונה. ודא שכל החיבורים המתאימים נוצרים.
- המשך עם עשיית יראת חסד והכנת החיה להדמיה. הוסף משחה עיניים לעיניים כדי למנוע ייבוש קרנית, לאבטח את כפות הרגליים אל האלקטרודות שלב, ולהכניס בדיקה טמפרטורה רקטלית משומן. מוציאים פרווה באזור העניין באמצעות קרם דפילטורי.
- ודא קרם depilatory הושלם הוסר. לאחר מכן, להחיל כמות נדיבה של ג'ל transducing קולי מחומם על החיה. זה חשוב במיוחד כדי ליצור חיבור טוב על פני כל אזור העניין עבור הדמיה 4D.
2. רכישת אולטראסאונד 4D
- התחל מחקר חדש על מערכת האולטרסאונד ופתח את חלון ההדמיה ב- B-Mode (מצב בהירות). הורידו את המתמר על החיה ותאתרו את אזור העניין באמצעות ידיות ציר ה-x וה-y על הבמה, וודאו שקצב הנשימה לא יורד באופן משמעותי. נטר זאת בתחתית המסך.
- מקם את המתמר באמצע אזור העניין. משם, משוער המרחק הדרוש עבור המתמר לנוע למעלה ולמטה כך שכל אזור העניין כלול.
- הזן את הממדים המשוערים בקוד תוכנת המחשוב, כולל גודל שלב שהוא בדרך כלל ~ 0.08 מ"מ עבור הדמיית מפרצת אב העורקים בבטן. התחל להריץ את הקוד לאחר הבטחת קצב הלב והנשימה של החיה יציבים. הדבר חשוב להפחתת שגיאות בעת שחזור תמונות.
- לאחר השלמת רכישת התמונה, יצא את הנתונים כקבצי XML גולמיים.
3. המרת נתוני אולטרסאונד 4D
- הזן את קבצי ה- XML הגולמיים לתוכנה שיכולה להמיר את הנתונים לתבנית המתאימה לניתוח כתמי תלת-ממד. כאן אנו משתמשים Matlab להמיר קבצי XML לקבצי MAT. התסריט המלא של מטלב זמין כאן.
- להמרה נכונה, יהיה צורך גם להזין את מספר המסגרות, גודל הצעד ורזולוציית הפלט הרצויה.
- לאחר דגימה מחדש של המטריצה דרך המישור, יש לייבא את קובץ MAT החדש לקוד ניתוח המתח בתלת-ממד.
4.3D ניתוח קוד מאמץ
- התחל בניתוח על-ידי התאמה נכונה של קובץ MAT המיובא. לדוגמה, ייתכן שיהיה צורך לשנות את קנה המידה של עוצמת התמונה כדי לקצר את זמן החישוב.
- הזן את האזור שיש לנתח ולקבוע את תבנית רשת שינוי מתאימה כדי לפלח את נתוני התמונה כתיבות פשוטות או כמצולעים שנבחרו באופן ידני. ייתכן שיהיה צורך לשנות את גודל התיבה של האזורים והמרווח בין נקודות המרכז עבור כל ערכת נתונים. המספרים האופטימליים שנבחרו עבור גודל התיבה יהיו סביב סדר הפיקסלים של התכונה הנמצאת במעקב, שניתן להעריך על-ידי התבוננות במספר הפיקסלים בשני ממדים בפרוסה אחת. המרווח בין התיבות יקבע את הפתרון של שדות המתח. תיבות נוספות יגדילו את הרזולוציה אך עשויות גם להגדיל באופן משמעותי את זמן החישוב.
- התחל לחשב את היעקובינים ואת השיפועים באופן איטרטיבי בתוך כל אחד מהאזורים הללו. לאחר השלמת ההקמה מראש, החל את פונקציית העיוות.
- חשב את הטנסור של מעבר הצבע של עיוות. ראשית לחשב את המתח, ולאחר מכן לחשב את eigenvalues ו eigenvectors באמצעות שיטת הערכת עיוות ישיר.
- התווה תוצאות אלה במישורים הרצויים באמצעות טכניקה כגון מיפוי צבע של מישור חתוך כדי לייצג את שדה המתח מעל אזור העניין שלך.
הדמיית מתח תלת מימדית משמשת להערכת עיוות של רקמות רכות לאורך זמן ולהבנת מחלות. ההתנהגות המכנית של רקמות רכות, כגון עור, כלי דם, גידים ואיברים אחרים, מושפעת מאוד מההרכב החוץ-תאי שלהן, שיכול להשתנות מהזדקנות ומחלות. בתוך רקמות ביולוגיות מורכבות, חשוב לאפיין שינויים אלה, שיכולים להשפיע באופן משמעותי על התכונות המכניות והתפקודיות של איבר.
מיפוי מתח כמותי משתמש בנתוני תמונה נפחיים ובשיטת הערכת דפורמציה ישירה כדי לחשב את שדות המתח התלת מימדיים המשתנים מרחבית. סרטון זה ימחיש את עקרונות מיפוי הזנים, ידגים כיצד מיפוי זנים כמותי משמש להערכת שדות מתח בתוך רקמות ביולוגיות מורכבות, וידון ביישומים אחרים.
רקמות ביולוגיות מושפעות מאוד מההרכב והכיוון של אלסטין וקולגן. החלבון אלסטין הוא מרכיב אלסטי מאוד ברקמות הנמתחות ומתכווצות ללא הרף, כגון כלי הדם והריאות. קולגן הוא החלבון הנפוץ ביותר בגוף, והוא מורכב מפולימרים תלת-סליליים בודדים המאוגדים לסיבים גדולים יותר המספקים שלמות מבנית לרקמות החל מעור ועד לעצמות.
הכיוון של חלבונים אלה נע בין סיבים מיושרים לרשתות רשת סיביות, המשפיעות על התכונות המכניות של הרקמה. מתח הוא מדד לעיוות היחסי של רקמות רכות לאורך זמן, וניתן להשתמש בו כדי להמחיש פציעה ומחלה. הוא מתואר וממופה באמצעות הערכות מתמטיות.
כדי למפות מתח באיברים מורכבים, כגון הלב, ניתן להשתמש בנתוני אולטרסאונד ארבע-ממדיים, המספקים מידע ברזולוציה גבוהה, מרחבית וזמנית. לאחר מכן מיושמת שיטת הערכת העיוות הישיר, או DDE, על הנתונים. קוד משמש להערכת העיוות התלת-ממדי וזני גרין-לגראנז' המתאימים באמצעות המשוואה הבאה.
טנזור המתח גרין-לגראנז' תלוי בטנזור שיפוע העיוות ובטנזור הזהות מסדר שני. טנזורי שיפוע דפורמציה מוערכים באופן מסורתי משדות תזוזה. בשיטת DDE, פונקציית עיוות מותאמת להיות אנלוגית ישירות לטנזור העיוות. פונקציית העיוות תלויה הן במיקום המרחבי והן בפרמטר העיוות. חישוב העיוות משולב ישירות בפונקציית העיוות. תשעת היסודות הראשונים מייצגים את טנזור שיפוע העיוות.
שיטה זו משמשת להערכת עיוותים גדולים ומקומיים ברקמות רכות. כעת, לאחר שהבנו את העקרונות של מיפוי זנים, בואו נראה כעת כיצד מבוצע מיפוי זנים לאיתור מפרצת אבי העורקים בעכברים.
כדי להתחיל בהתקנה, פתח את תוכנת Vivo 2100 וחבר את המחשב הנייד למערכת האולטרסאונד. ודא שיחידת הניטור הפיזיולוגית פועלת למדידת דופק וטמפרטורה. לאחר מכן אתחל את שלב המנוע התלת מימדי.
התקן את מתמר האולטרסאונד וודא שכל החיבורים הנכונים נוצרים. לאחר מכן, הרדמו את החיה שתצולם באמצעות איזופלורן 3% בתא נוק-דאון. לאחר שהעכבר מורדם, העבירו אותו לשלב המחומם ואבטחו חרוט אף כדי לספק 1-2% איזופלורן. מרחו משחה עיניים על העיניים ואבטחו את הכפות לאלקטרודות הבמה כדי לנטר את הנשימה וקצב הלב של החיה. ואז הכנס בדיקת טמפרטורת פי הטבעת. מרחו קרם אפילציה להסרת שיער מאזור העניין, ולאחר מכן מרחו כמות נדיבה של ג'ל אולטרסאונד חם על האזור המפורק
כדי להתחיל ברכישת התמונה, ראשית, פתח את חלון ההדמיה ובחר במצב B. לאחר מכן הורד את המתמר על החיה והשתמש בכפתורי ציר ה-x וה-y על הבמה כדי לאתר את אזור העניין. עקוב אחר קצב הנשימה כדי לוודא שהוא לא יורד באופן משמעותי. מקם את המתמר באמצע אזור העניין. לאחר מכן העריכו את המרחק הנדרש כדי לכסות את כל אזור העניין.
הזן מידות אלה בקוד MATLAB ובחר גודל מדרגה של 0.08 מילימטרים. ודא שהלב וקצב הנשימה של החיה יציבים, ולאחר מכן הפעל את קוד MATLAB.
לאחר רכישת תמונה, ייצא את הנתונים כקבצי XML גולמיים והמר אותם לקבצי MAT. הקפד להזין את מספר המסגרות, גודל הצעד ורזולוציית הפלט. לאחר מכן דגמו מחדש את המטריצה במישור עובר.
ייבא את קובץ ה-MAT החדש לקוד ניתוח הזן התלת-ממדי. ייתכן שיהיה צורך לשנות את קנה המידה של הקובץ כדי להפחית את זמן החישוב. לאחר מכן, הזן את האזור שיש לנתח. העריכו את מספר הפיקסלים בפרוסה דו-ממדית של תכונת המעקב ובחרו בתבנית רשת השינוי כתיבה פשוטה או כמצולעים שנבחרו ידנית. בחר את מספר הפיקסלים האופטימלי עבור גודל הרשת. חשב את היעקוביאנים ואת השיפועים. חזור על הפעולה עבור כל אזור. לאחר מכן החל את פונקציית העיוות.
לאחר מכן, באמצעות עיוותים קרטזיים המחושבים מ- DDE, קבע את הערכים העצמיים והווקטורים העצמיים של העיוות. לאחר מכן, בחר את הפרוסות שעבורן ברצונך להתוות ערכי מתח על-ידי גלילה בתצוגות הציר הארוך, ציר המיון והציר העטרתי.
לחץ על בחר סעפת לניתוח. לאחר מכן השתמש בסמן כדי למקם סמנים לאורך דופן אבי העורקים, כולל הפקקת, המפרצת וחלקים בריאים של אבי העורקים. חזור על הפעולה עבור כל התצוגות. לבסוף, השתמש במיפוי צבע כדי לשרטט את התוצאות של שדה המתח על פני אזור העניין.
הבה נסתכל מקרוב על הדוגמה של מפרצת אבי העורקים הבטני המושרה על ידי אנגיוטנסין II המושרה על ידי אנגיוטנסין II שנרכשה מעכבר. ראשית, מספר לולאות הדמיה של קילו-הרץ מגודרות א.ק.ג בציר קצר מתקבלות בגודל צעד נתון לאורך אבי העורקים ומשולבות ליצירת נתונים 4D.
לאחר ביצוע חישוב מתח תלת מימדי באמצעות פונקציית עיוות אופטימלית, מתקבלת עלילת הדמיית הפרוסה התלת מימדית של אבי העורקים האינפרא כליה. מפת הצבעים של הזן הירוק העיקרי מונחת על גבי כדי להדגיש אזורים של מתח הטרוגני בדופן אבי העורקים. בנוסף, תצוגות ציר ארוך וציר קצר חושפות וריאציות מרחביות הטרוגניות במתח, במיוחד כאשר קיים פקקת.
עלילות מתח תואמות מראות ערכי מתח גבוהים יותר באזורים בריאים של אבי העורקים בציר הארוך, בעוד שאזור המפרצת מראה ירידה במתח בציר הקצר.
הדמיית מתח כמותית מדויקת באמצעות הערכת דפורמציה ישירה היא כלי שימושי המשמש ביישומים ביו-רפואיים שונים.
לדוגמה, ניתן לכמת את עומס הלב. במהלך מחזור הלב, שריר הלב עובר דפורמציה תלת מימדית. כימות מתח בתלת מימד הוא חלק בלתי נפרד מאפיון אמין של הדינמיקה של רקמה זו לאורך זמן. זה שימושי במעקב אחר התקדמות המחלה במודלים של בעלי חיים.
יישום נוסף הוא באפיון רקמת המעי. הדמיה in vivo של המעיים היא מאתגרת בגלל ההשפעות מהמבנים שמסביב. עם זאת, חישוב מתח מתמונות של פיברוזיס במעי יכול להיות שימושי במיוחד כדי לספק זיהוי מוקדם של אזורים בעייתיים הדורשים התערבות כירורגית.
בקנה מידה קטן בהרבה, שיטת DDE זו מיושמת גם ברמה התאית על ידי שימוש בטכניקות הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר כגון מיקרוסקופיה קונפוקלית. הוא משמש, למשל, באפיון מטריצה חוץ-תאית כדי להבין כיצד תאים מתקשרים תחת שינויים מכניים.
זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE להדמיית מתח כמותית. כעת עליכם להבין כיצד למדוד מתח תלת מימדי ברקמות ביולוגיות וכיצד משתמשים בו בזיהוי מוקדם של מחלות. תודה שצפית!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.