הדמיית זרימת דם עם דופלר אולטרה מהיר
14 באוקטובר 2020
פרוטוקול זה מראה כיצד ליישם הדמיית דופלר אולטרה מהיר כדי לכמת את זרימת הדם. לאחר רכישה ארוכה של 1, לנסיין יש גישה לסרט של שדה הראייה המלא עם ערכי מהירות צירית עבור כל פיקסל בכל ≈0.3 אלפיות השנייה (בהתאם לזמן האולטרסאונד של הטיסה).
ההערכה הכמותית של זרימת הדם על ידי אולטרסאונד היא פרמטר שימושי ביותר ברפואה להערכת איברים רבים. אולטרסאונד דופלר מהיר במיוחד מספק קוהרנטיות זמנית מיוחדת ומאפשר רגישות מוגברת למדידת מהירויות זרימת דם קטנות. גישה למיקרופרפוזיה פותחת את הדלת להבנה מדויקת יותר של זלוף של גידולים או איברים, כגון המוח או הלב.
כדי להתקין את הדופלר פנטום, השתמש תחילה בצינורות פלסטיק כדי לחבר את המשאבה הפריסטלטית, מאגר הנוזל המחקה את הדם, את משכך הדופק ואת פנטום זרימת הדופלר. בחר את התעלה בקוטר של ארבעה מילימטר ותכנת את המשאבה להוציא 720 מיליליטר לדקה של נוזל למשך 0.3 שניות ולאחר מכן 0.7 שניות של פליטה ב-50 מיליליטר לדקה כדי לחקות את שלבי הלב הסיסטולי והדיאסטולי, בהתאמה. לאחר מכן הפעל את המשאבה ונער בעדינות את הצינורות כדי להוציא בועות אוויר פוטנציאליות.
כדי להגדיר את סורק האולטרסאונד המהיר במיוחד, השתמש בקישור PCI Express כדי לחבר את סורק המחקר המופעל במהירות גבוהה במיוחד למחשב המארח ולשנות את מתאם המתמר בסורק כך שיתאים למחבר הבדיקה. חבר את הגשושית והפעל את MATLAB כדי להפעיל את רישיון סורק האולטרסאונד. כדי להגדיר את תוכנית רצף האולטרסאונד, הגדר את עומק ההדמיה ל-50 מילימטרים ואת עומק המוקד ל-35 מילימטרים.
כדי לתכנן רצף אולטרסאונד מהיר במיוחד, הגדר את עומק ההדמיה ל-50 מילימטרים, תכנת שלושה גלי מישור מוטים במינוס שלוש, אפס ושלוש מעלות והגדר את תדירות החזרה על הדופק ל-12 קילו-הרץ. לאחר מכן בחר ארבעה חצאי מחזורים לצורת גל האולטרסאונד, כאשר התדר המרכזי מוגדר בהתאם לבדיקה המשמשת, והגדר את משך הזמן הכולל לשנייה אחת. כאשר נקבעו פרמטרי הרצף, מרחו ג'ל אולטרסאונד על עדשת הבדיקה והניחו את הגשושית על הפנטום.
הפעל את רצף האולטרסאונד במצב B ואתר את התעלה המעניינת. הנוזל ייראה כהה יותר מהרקמה שמסביב. עבור לתצוגת האורך.
מבלי לשנות את מיקום הגשושית, סיים את רצף מצב B והפעל את סקריפט רכישת הרצף המהיר במיוחד. בסיום הרצף, שמור את הנתונים הגולמיים והשתמש בתוכנת ברירת המחדל של מערכת האולטרסאונד כדי להפעיל את סקריפט בניית התמונות. לסינון עומס, השתמש בסקריפט MATLAB כדי לעצב מחדש את מטריצת ה-3D IQ למטריצת Casorati דו-ממדית.
לאחר מכן השתמש בנוסחה כדי לחשב את פירוק הערך הסינגולרי של המטריצה, והשתמש בווקטורים הסינגולרים המרחביים כדי לחשב את מטריצת הדמיון המרחבי C ולזהות את גבולות תת-מרחב הדם. השתמש בחתך גבול חלל הדם כדי לסנן את נתוני ה-IQ. כדי לחשב את מפת דופלר העוצמה, השתמש בנוסחה כדי לשלב את המעטפת של נתוני המסנן לאורך הממד הזמני ולהציג את מפת דופלר הכוח בקנה מידה לוגריתמי.
הגדר אזור עניין מעגלי המכיל פיקסל אחד עד 30 פיקסלים בתמונה, וממוצע את אות נתוני המסנן על פני הפיקסלים באזור העניין כדי לקבל וקטור לנתוני המסנן של המספר הרלוונטי של נקודות זמן ניסיוניות. כדי לחשב ולהציג את ספקטרוגרמת הדופלר של נתונים אלה, הגדר את חלון התמרת פורייה לזמן קצר לחלון האן של 60 דגימות והגדר את חפיפת התמרת פורייה לזמן קצר ל-90% מאורך החלון. לאחר מכן, שכב את התדר המרכזי בכל נקודת זמן של הספקטרוגרמה והשתמש בנוסחת דופלר כדי להמיר את ערכי התדר למהירויות ציריות בדם.
אם נרכשה ספקטרוגרמה באיכות טובה, ניתן לחלץ את מהירויות הדם מכל אזור מעניין בתמונה. בתמונה זו של מוח יילוד, ניתן להבחין בכלי רכישה בעלי מאפייני זרימה שונים מאוד, החל מוורידים ועורקים קטנים בקליפת המוח ועד לעורק הפריקלוזלי הראשי. כאן מוצגת היכולת של דופלר מהיר במיוחד לחלץ אות זרימת דם באיבר בעל תנועה חזקה כמו שריר הלב.
למרות שהדגמנו את השימוש בפירוק ערך יחיד, ניתן להשתמש גם בסוגים אחרים של מסננים. הדופלר המהיר במיוחד מאפשר לנו להבין טוב יותר את המיקרו-פרפוזיה. זו מהפכה אמיתית בהדמיה רפואית.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מדגים את היישום של הדמיית דופלר באולטרסאונד מהיר במיוחד (ultrafast ultrasound Doppler imaging) לכימות זרימות דם. הטכניקה מאפשרת יצירת סרט המתאר את כל שדה הראייה עם ערכי מהירות אקסיילית עבור כל פיקסל במרווחים של כ-0.3 ms.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- דימות באולטרסאונד
- מדידת זרימת דם
- אבחון רפואי
רקע
- אולטרסאונד דופלר אולטרה-מהיר משפר את הרגישות למהירויות זרימה נמוכות של דם.
- שיטה זו חיונית להערכת הפרפוזיה באיברים כגון המוח והלב.
- הערכה כמותית של זרימת דם היא קריטית לאבחון רפואי.
- הבנת המיקרו-פרפוזיה יכולה להוביל לתובנות טובות יותר לגבי פרפוזיה של גידולים ואיברים.
מטרת המחקר
- לכימות זרימת דם באמצעות דימות דופלר אולטרסאונד מהירה במיוחד.
- לשיפור ההבנה של דינמיקת הפרפוזיה באיברים שונים.
- לביסוס שיטה מהימנה לסימולציה של שלבי מחזור הלב במערך פנטום דופלר.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הקמה של פנטום דופלר באמצעות צינורות פלסטיק ומשאבה פריסטלטית.
- שימוש בנוזל דמוי דם לסימולציית זרימת דם.
- תכנות המשאבה לקצבי פליטה ספציפיים כדי לדמות מחזורים לבביים.
- הפעלת המשאבה תוך הבטחת הוצאת בועות אוויר מהמערכת.
תוצאות עיקריות
- גישה לסרטון של שדה ראייה מלא הכולל נתונים מפורטים של מהירות צירית.
- הדגמה של היכולת למדוד במדויק את דינמיקת זרימת הדם.
- תיקוף של מערך הפנטום לדופלר (Doppler Phantom) לצורך סימולציה של תנאים פיזיולוגיים.
- הבנה משופרת של מאפייני זרימת הדם בתרחישים שונים.
מסקנות
- דימות דופלר אולטרסאונד מהיר במיוחד יעיל לכימות זרימת דם.
- השיטה מספקת תובנות בעלות ערך לגבי פרפוזיה של איברים ודינמיקה של גידולים.
- יישומים עתידיים עשויים לשפר את היכולות האבחנתיות במסגרות קליניות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
אולטרסאונד דופלר מהיר במיוחד (Ultrafast Doppler ultrasound) מאפשר מיפוי של זרימת דם ברזולוציה גבוהה עם רגישות משופרת לפרפוזיה במהירות נמוכה, ובכך תומך בהפחתת סיכונים מכניסטיים בתהליכי תיקוף של מטרות קרדיווסקולריות ואונקולוגיות. הטכניקה מספקת נתונים המודינמיים כמותיים ורציפים מרחבית, המשפרים את הביטחון החזוי במודלים פרה-קליניים של פרפוזיה של איברים ואנגיוגנזה של גידולים. יכולת זו מסייעת בגילוי מוקדם על ידי הבהרת פנוטיפים המודינמיים וצמצום העמימות הביולוגית בתהליכי זיהוי מועמדים תרופתיים (leads).
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטיקה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של פנוטיפים המודינמיים במודלים של מחלות כדי להבהיר היפותזות טיפוליות.
- ערך תפעולי: מספק מדדי זרימת דם כמותיים לצורך תיקוף של מטרות פונקציונליות במסלולים התלויים בפרפוזיה.
- ערך חיזוי: תומך במיון פורטפוליו על ידי הפחתת העמימות המכניסטית בהשפעות המודינמיות של תרופות.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מספק מדידות מהירות ברמת פיקסל עם רזולוציה מרחבית לסריקה מהימנה של תרכובות במודלים וסקולריים.
- ערך תפעולי: מציע דימוי בעל קצב פריימים גבוה וניתן לשחזור להכנה סטנדרטית של בדיקות במערכות מיקרופלואידיות או במערכות פנטום.
- שקיפות (Scalability): מאפשר שימוש חוזר בפלטפורמה לאורך שלבי הגילוי הודות לקריאות המודינמיות עקביות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מקשר בין פרופילי המודינמיקה בשלב הגילוי לבין תיקוף פרה-קליני במודלים של פרפוזיה ספציפיים לאיברים.
- קידום מותאם סיכונים: מאפשר קבלת החלטות go/no-go מבוססות נתונים, על סמך שינויים במיקרו-פרפוזיה ברקמות לב, עצב או גידול.
- סנכרון ביומרקרים: תומך בזיהוי ביומרקרים תרגומיים הקשורים לפרפוזיה כאשר אלו נמצאים במתאם עם תוצאות תפקודיות.
שילוב תהליכי עבודה וסדרות פעולות
השיטה משתלבת בשלבי הגילוי המוקדמים דרך זיהוי מובילים (lead identification) על ידי אספקת פנוטיפיה המודינמית, המנחה את מידת הביטחון במטרה ואת תכנון הבדיקה.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת היפותזות באמצעות מיפוי כמותי של זרימת דם במערכות הרלוונטיות למחלה.
- סריקה: משפר את המוכנות של הבדיקה באמצעות מדידות מהירות בעלות רזולוציה זמנית גבוהה וחזרתיות.
- אנליטיקה: מספק פלטי מהירות אקסיאלית ו-power Doppler המאפשרים ניתוח השוואתי של תנאים.
- מחקר תרגומי: מקשר לעבודה פרה-קלינית באמצעות דינמיקת פרפוזיה במודלים לבביים, מוחיים וכליתיים.
- שימוש חוזר ארגוני: משמש ככלי הpmodינמי הניתן לשימוש חוזר במגוון פרויקטים של גילוי.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הרגישות לזרימת דם במהירות נמוכה, ובכך משפר את הזיהוי של שינויים במיקרו-פרפוזיה.
- ערך תפעולי: מאפשר לוקליזציה וכמותיות סימולטניות של זרימת דם ללא פשרות.
- ערך אסטרטגי: מפחית סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים על ידי הבהרת מנגנונים המודינמיים בשלב מוקדם.
- השפעה על הפורטפוליו: מסייע בתיעודו של תעדוף מותאם סיכון באמצעות נתוני פרפוזיה כמותיים במודלים פרה-קליניים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בפיזיקה של אולטרסאונד ובעיבוד אותות דופלר.
- נדרשות מערכות אולטרסאונד הניתנות לתכנות המסוגלות לשידור גלי מישור (plane wave) במהירות גבוהה מאוד.
- דורש סטנדרטיזציה בין צוותים לצורך הגדרה עקבית של הפנטום וניתוח נתונים.
- כולל שיקולי התאמה בעת המעבר ממודלים של פנטום למודלים in vivo.
- תלוי בטכניקות מתאימות לסינון רעשים (למשל, מבוססות SVD) כדי לבודד אותות של זרימת דם.
שאלות נפוצות בתחומי הביופארמה
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:40
Doppler Phantom Preparation
1:24
Ultrafast Ultrasound Scanner Setup and Sequence Programming
2:27
Probe Positioning and Data Acquisition
3:00
Image Reconstruction and Clutter Filtering
3:43
Flow Visualization and Velocity Measurements
4:50
Results: Representative Ultrafast and Power Doppler Imaging
5:27
Conclusion
