방법 논문

초고속 도플러를 가진 혈류 영상

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DOI:

10.3791/61838

⸱

2020년 10월 14일

 ,  , 
1Translational Medicine Department, The Hospital for Sick Children, PGCRL Research Institute, 2The Labatt Family Heart Centre, Department of Pediatric, The Hospital for Sick Children, University of Toronto, 3Medical Biophysics Department, University of Toronto

이 논문에서

요약

이 프로토콜은 혈액 흐름을 정량화하기 위해 초고속 초음파 도플러 이미징을 적용하는 방법을 보여줍니다. 1s 긴 획득 후, 실험자는 매 픽셀마다 ≈0.3 ms(비행 의 초음파 시간에 따라)에 대한 축 속도 값을 가진 전체 시야의 영화에 액세스 할 수 있습니다.

초록

펄스 도플러 효과는 혈류를 평가하기 위해 임상 에크로그래피에 사용되는 주요 기술입니다. 기존의 집중 초음파 도플러 모드로 적용, 그것은 몇 가지 제한이 있습니다. 첫째, 혈액 흐름을 주변 이동 조직으로부터 구별하기 위해 미세 조정된 신호 필터링 작업이 필요합니다. 둘째, 연산자는 혈액 흐름을 국소화하거나 정량화하는 것 중에서 선택해야 합니다. 지난 2 년 동안 초음파 이미징은 초점을 맞추지 않은 파도를 사용하여 초고속 초음파가 출현하면서 패러다임 변화를 겪었습니다. 프레임레이트(최대 10000Hz)의 백배 증가 외에도, 이 새로운 기술은 기존의 정량화/국소화 절충안을 깨고, 시야의 완전한 혈류 매핑과 단일 픽셀 수준(50 μm 까지)의 미세 속도 측정에 대한 동시 액세스를 제공합니다. 공간 적 차원과 측두체 모두에서 이 데이터 연속성은 조직/혈액 필터링 과정을 강력하게 향상시키고, 이는 작은 혈류 속도에 대한 민감도가 증가합니다(1mm/s까지). 이 방법 논문에서는 초고속 도플러의 개념과 주요 매개 변수를 소개하는 것을 목표로합니다. 첫째, 우리는 초점을 맞춘 파도 이미징의 물리적 원리를 요약합니다. 그런 다음 도플러 신호 처리 주요 단계를 제시합니다. 특히, 우리는 중요한 조직/혈류 분리 알고리즘의 실질적인 구현과 이러한 필터링된 데이터로부터의 속도 추출에 대해 설명합니다. 이 이론적 설명은 체외 경험에 의해 보충됩니다. 흐르는 혈액 모방 유체와 운하를 포함 하는 조직 유령 연구 프로그래밍 가능한 초음파 시스템으로 이미지. 혈류 영상을 얻고 운하내의 여러 픽셀에 대한 유동 특성이 표시됩니다. 마지막으로, 생체 내 응용 프로그램의 검토가 제안됩니다, 경동맥, 신장, 갑상선, 두뇌 및 심장과 같은 몇몇 기관에 있는 예를 보여주는.

서론

초음파 화상 진찰은 임상 사례 및 연구 활동에서 가장 일반적으로 사용되는 이미징 기술 중 하나입니다. 생물학적 조직에서 초음파 파 방출의 조합과 후산 된 에코의 기록으로 해부학 적 이미지, 소위 "B 모드"의 재구성이 가능합니다. 이 방법은 일반적으로 ≈ 1540 m/s의 전파 속도로, 일반적으로 몇 센티미터에 걸쳐 초음파의 침투를 허용하는 생물학 조직과 같은 연조직 화상 진찰에 완벽하게 적응됩니다. 초음파 프로브의 중심 주파수에 따라 30 μm에서 1mm까지 해상도가있는 이미지가 얻어집니다. 더욱이, 음향소스의 움직임이 연관된 파의 물리적 특성에 영향을 미치는 것으로 잘 알려져 있다. 특히, 소스의 속도에 비해 파도의 주파수 이동 사이의 링크는 도플러 효과1로설명되며, 가장 간단한 증상은 움직이는 구급차의 변화하는 사이렌 피치입니다. 초음파 화상 진찰은 움직이는 적혈구2를관찰하기 위하여 이 물리적 효력을 오랫동안 이용하고, 일반적으로 "Doppler 화상 진찰"이라고 표기된 다양한 화상 진찰 모드를 제안합니다. 이 모드는 두뇌, 심혼, 신장 또는 말초 동맥과 같은 아주 다른 응용 프로그램 및 기관에 있는 혈액 흐름의 평가를 가능하게 합니다.

놀랍게도, 현재 이용 가능한 대부분의 초음파 시스템은 기존의 초음파라고 하는 동일한 기술에 의존합니다. 기본 원리는 다음과 같습니다 : 음향 빔은 시야를 통합하고 초음파 트랜스듀서 조리개를 따라 휩쓸린다. 빔의 각 위치에 대해 에코가 기록되어 최종 이미지의 선으로 변환됩니다. 변환기를 따라 빔을 점진적으로 이동시킴으로써 전체 시야는 라인당 라인별 이미지를 이미지화할 수있습니다(그림 1,왼쪽 패널). 이 전략은 21세기 초까지 전기적 제약과 컴퓨팅 파워에 잘 적응했습니다. 그럼에도 불구 하 고, 그것은 몇 가지 단점이 있다. 이들 중, 최종 프레임레이트는 빔 스캐닝 공정에 의해 초당 수백 개의 이미지로 제한됩니다. 혈류의 관점에서, 이 상대적으로 낮은 프레임 레이트는 섀넌-나이퀴스트3의샘플링 기준에 의해 결정되는 검출될 수 있는 최대 유량 속도에 영향을 미칩니다. 더욱이, 기존의 도플러는 복잡한 절충을 처리해야합니다. 특정 관심 영역(ROI)에서 혈류 속도를 평가하기 위해서는 ROI에서 나오는 여러 메아리가 연속적으로 기록되어야 합니다. 이것은 초음파 빔이 고정 된 위치에서 일시적으로 유지된다는 것을 의미합니다. 에코 앙상블이 길수록 속도 추정이 ROI에 대한 것입니다. 그러나 시야의 완전한 이미지를 생성하려면 빔이 매체를 스캔해야 합니다. 따라서 빔을 잡고 한 선을 따라 속도를 정확하게 평가하거나 빔을 이동하여 이미지를 생성하는 두 제약 조건 간의 충돌을 감지할 수 있습니다. 다른 기존의 도플러 모드 (즉, 컬러 도플러 또는 펄스 웨이브 도플러)는 직접이 트레이드 오프를 반영합니다. 일반적으로, 컬러 도플러는선박(4)을국소화하는 데 사용되는 저충실도 유동 맵을 생성하고, 펄스 웨이브 도플러는 이전에 확인된 선박5에서흐름을 정확하게 정량화하는 데 사용된다.

이러한 두 가지 제한 사항(낮은 프레임레이트 및 현지화/정량화 절충)은 매우 높은 프레임 레이트 신흥 기술로 극복됩니다. 이들 중, 합성 조리개 접근법6 또는 다중선 송신 기법은7을인용할 수 있다. 이 연구에서는 소위 초고속 초음파 방법에 중점을 둡니다. 2 년 전8,9,10에소개된 이 방법은 초음파의 방출 /수신에도 의존하지만 근본적으로 다른 패턴으로 사용됩니다. 실제로, 스캐닝 집중 빔을 사용하는 대신, 초고속 이미징은 비행기 파 또는 발산 파를 사용하여 단일 방출로 시야를 통합할 수 있습니다. 단일 방출에 이어 관련 전자 장치는 전체 시야에서 발생하는 엄청난 수의 에코를 수신하고 처리할 수 있습니다. 끝에, 이미지를 단일 방출/수신패턴(1, 오른쪽 패널)에서재구성할 수 있다. 이러한 집중되지 않은 방출은 음향 에너지의 확산으로 인해 낮은 신호 대 잡음 비율(SNR)을 가질 수 있습니다. 이는 여러 개의 제목이 있는 평면 파(또는 다른 소스가 있는 파도 를 발산)를 방출하고 결과 이미지를 추가하여 해결할 수 있습니다. 이 메서드는 "일관된 복합"12라는이름입니다. 두 가지 주요 결과가 발생합니다. 첫째, 프레임 레이트비행의 초음파 시간에 따라 달라지며 1~10kHz의 일반적인 값에 도달할 수 있다. 둘째, 이를 통해 공간 차원과 현세적 일관성이라고도 하는 공간 및 측두적인 차원모두에서 데이터 연속성을 보장합니다. 따라서 기존의 국소화/정량화 절충안이 깨졌다. 높은 프레임 레이트와 현면 적 일관성의이 조합은 초음파와 혈액 흐름을 감지하는 능력에 엄청난 영향을 미친다. 종래의 초음파에 비해 초고속 초음파는 혈류3의완전한 특성을 제공한다. 실질적으로, 사용자는 수집의 전체 기간 (일반적으로 ≈1 s)에 대한 이미지의 모든 픽셀의 속도 시간 과정에 액세스 할 수 있으며, 프레임 레이트 (일반적으로 200 μs의 시간 적 해상도를 위한 5 kHz의 프레임 레이트)에 의해 주어진 시간 척도). 이러한 높은 프레임레이트는 관상 동맥 마이크로관류(14)를이용한 심장챔버(13) 또는 심근(14)과 같은 움직이는 장기의 빠른 흐름과 같은 광범위한 적용에 적합한 방법을 만든다. 더욱이, 그 현면적 일관성은 강하게 배경 이동 조직에서 느린 혈류를 분리하는 능력을 향상, 따라서 미세 혈관 흐름에 대한 감도를 증가 것으로 나타났다(15. 이 용량은 동물16과 인간17모두에서 뇌의 미세 혈관에 대한 액세스를 제공합니다.

따라서 초고속 초음파는 다양한 상황에서 이미지 혈류에 적합합니다. 그것은 연약한 생물학 조직에 국한되고 강하게 뼈와 같은 단단한 인터페이스의 존재에 의해 영향을 받을 것입니다, 또는 폐와 같은 가스 구멍. 초음파 서열의 물리적 파라미터의 튜닝은 느린 (1mm / s11,16까지)및 빠른 흐름 (최대 몇 m /s)의 연구를 허용합니다. 공간 해상도와 침투 깊이 사이에 는 절충이 존재합니다. 전형적으로, 50 μm의 해상도는 약 5mm의 침투 비용으로 달성될 수 있다. 반대로, 침투는 1mm의 해상도의 비용으로 15-20cm로 확장 될 수있다. 이 문서에서 사용되는 스캐너와 같은 대부분의 초고속 스캐너는 2D 이미지만 제공한다는 점에 유의할 필요가 있습니다.

여기서는 생물학적 조직에 내장된 혈관(동맥 또는 정맥)을 모방한 프로그래밍 가능한 연구 초음파 스캐너와 도플러 팬텀을 사용하여 초고속 도플러 이미징의 개념을 소개하는 간단한 프로토콜을 제안합니다.

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프로토콜

1. 도플러 팬텀 준비 설정(그림 2A)

  1. 연동 펌프, 유체 저장소를 모방한 혈액, 펄스 감쇠기 및 도플러 플로우 팬텀을 플라스틱 튜브와 연결합니다.
  2. 직경 4mm의 운하를 선택하십시오.
  3. 펌프를 0.3s용 유체720mL/min을 배출한 다음 0.7초동안 50mL/min을 배출하여 각각 슬래크 및 디아스톨 심장 위상을 모방하도록 프로그래밍합니다.
  4. 펌프를 실행하고 파이프를 부드럽게 흔들어 잠재적인 기포를 배출합니다.
    참고: 운전자는 다른 운하 직경과 다른 펌프 속도를 선택할 수 있지만 초음파 시퀀스가 가장 빠른 유동 속도를 획득할 만큼 빠도록 해야 합니다. Eq. 3 나중에 제시시퀀스를 디자인하는 데 도움이 될 수 있습니다.

2. 초고속 초음파 스캐너 설정(그림 2A)

  1. 초고속 지원 연구 스캐너를 호스트 컴퓨터에 PCI 익스프레스 링크와 연결합니다.
  2. 초음파 스캐너의 트랜스듀서 어댑터를 변경하여 프로브 커넥터와 일치한 다음 프로브를 연결합니다.
  3. Matlab을 실행하고 초음파 스캐너 라이센스를 활성화합니다.
    참고: 이 섹션과 다음 섹션은 암시적으로 베라소닉스 Vantage 시스템의 사용을 가정합니다.

3. 초음파 서열 프로그래밍

  1. 예제 스크립트를 사용하여 프로브 포지셔닝에 사용되는 기존의 집중된 "B-Mode"(예: 에코그래피) 시퀀스를 디자인합니다.
    1. 이미징 깊이를 50mm로 설정합니다.
    2. 초점 깊이를 35mm로 설정합니다.
  2. 예제 스크립트를 사용하여 초고속 초음파 서열을 설계하십시오.
    1. 이미징 깊이를 50mm로 설정합니다.
    2. 프로그램 3 [-3,0,3] 정도에서 비행기 파도를 기울입니다.
    3. 펄스 반복 주파수(PRF)를 12kHz로 설정합니다.
    4. 사용되는 프로브에 따라 중앙 주파수와 함께 초음파 파형에 4 개의 반 주기를 사용합니다. 여기서는 5.2MHz의 중심 주파수가 가정됩니다.
    5. 총 지속 시간을 1로 설정합니다.

4. 프로브 포지셔닝 및 데이터 수집

  1. 프로브 렌즈에 초음파 젤을 바르세요.
  2. 프로브를 팬텀에 놓고 B 모드 초음파 서열을 시작합니다.
  3. 관심 있는 운하를 찾으세요. 액체는 주변 조직 보다는 어둡게 나타납니다. 프로브를 세로 뷰에 배치합니다.
  4. 프로브를 관심 있는 위치에서 수동으로 유지관리합니다.
  5. B 모드 시퀀스를 종료하고 초고속 시퀀스 수집 스크립트를 시작합니다.

5. 이미지 재구성(그림 2B)

  1. 시퀀스가 끝나면 원시 데이터(무선 주파수 데이터인 "RF"라고도 함)를 저장합니다.
  2. 초음파 시스템 기본 소프트웨어를 사용하여 이미지 재구성 스크립트를 시작합니다. 프로세스가 끝나면 IQ 데이터 행렬을 만들어야 합니다.
    참고: 초음파 에코는 프로브의 각 요소와 각 방출/수신에 대해 기록된 다음 RF 데이터 매트릭스에 저장됩니다. 이미지 재구성은 각 채널에 적절한 지연 법을 적용하고 소위 "IQ"(단계/쿼드러니어) 행렬을 초래합니다. 복잡한 IQ 매트릭스는 공간용 2개(이미지 깊이 및 너비)와 시간용 크기의 세 가지 차원을 가지고 있습니다.

6. 혼란 필터링(그림 2C)

참고: 6-7 단계의 경우 보충 자료에제공된 Matlab 스크립트를 참조하십시오.

  1. 3D(스페이스 엑스 스페이스 엑스 시)의 IQ 매트릭스를 IQr라는 이름의 카소라티 매트릭스로 재구성합니다.
  2. IQr(Eq. 1)의 단수 값 분해15를 계산합니다.
    figure-protocol-1 Eq. 1
  3. 공간 유사성 매트릭스 C를 사용하여 공간 단수 벡터 U를 사용하여 바랑거 외18(II, D)를 계산하고, 혈액 하위 공간 경계 N을 식별한다.
  4. Demene외. 15 (II, C)에 설명 된 바와 같이 IQ 데이터를 필터링하려면이 컷오프 N을 사용합니다.

7. 유동 시각화 및 속도 측정(그림 2C)

  1. 시간 적 차원 (Eq. 2)을 따라 필터링 된 데이터 IQt의 봉투를 통합하여 출력 도플러 맵 PD를 계산합니다. 3D 좌표 z, x 및 t는 각각 깊이, 너비 및 측두측 치수, nt이며 획득된 프레임 수입니다.
    figure-protocol-2 Eq. 2
  2. PD 맵을 로가릿 스케일로 표시합니다. 동적 범위를 설정하려면 운하 외부 영역에서 평균 PD를 계산하고 이 값을 동적 범위의 하한으로 dB에서 사용합니다. 일반적인 다이나믹 범위는 [-30, 0] dB입니다.
  3. 이미지의 원/리시즈(ROI)를 정의하여 1~30픽셀을 포함합니다.
  4. 해당 ROI의 픽셀을 통해 IQf 신호를 평균하여 n t 시간 점의 벡터를 figure-protocol-3 얻습니다.
  5. figure-protocol-4짧은 시간 포리에 변환 (STFT)의 사각형 크기를 사용하여 도플러 분광을 계산하고 표시합니다.
    1. STFT 창을 60샘플 한 창으로 설정합니다.
    2. STFT 중첩을 창 길이의 90%로 설정합니다.
  6. 분광의 각 시점의 중심 주파수를 오버레이합니다.
  7. 도플러 포뮬러(Eq. 3)를 사용하여 주파수 f 값을 혈액 축 속도 vz로 변환합니다. c0은 전송된 초음파 파형(here 5.2 MHz)의 중심 주파수인 매체 및 FTW에서 음의 속도이다.
    figure-protocol-5 Eq. 3

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결과

인수 및 후처리의 품질은 먼저 육안 검사에 의해 평가됩니다. 운하의 모양은 도플러 의 힘 이미지에서 명확하게 볼 수 있어야하며 조직 영역은 어둡게 나타나야합니다. 도플러 신호의 전원이 운하에 국한되지 않으면, 복잡한 필터 단계가 잘못되었거나(SVD 임계값이 너무 낮음) 또는 프로브가 획득 하는 동안 강한 움직임을 경험했음을 의미할 수 있다.

육안 검사 후 운하 내부의 분광기에 대한 연구는 실험의 성공 또는 실패에 대한 좋은 정보를 제공 할 수 있습니다. 분광은 일방적이어야 합니다(영하 이하의 모든 값). 분광이 양면인 경우 별칭이 존재합니다. 이 경우 흐름이 너무 빠르거나 PRF가 너무 낮습니다.

이러한 품질 기준이 충족되면, 혈액 속도는 이미지의 임의의 ROI로부터 추출될 수있다(도 2C). ROI의 크기를 조정하면 신호의 평균이 다소 줄어듭니다. 주어진 ROI의 속도 시간 ...

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토론

이 프로토콜의 주 프레임 주위에 몇 가지 변형이 가능합니다.

하드웨어 문제
사용자가 사용자 지정 호스트 컴퓨터를 공급하는 경우 마더보드와 컴퓨터케이스에 사용 가능한 PCI 익스프레스 슬롯이 있어야 합니다. CPU에는 모든 장치를 처리할 수 있는 PCIe 레인이 충분해야 합니다.

프로브 선택
초음파 프로브(또한 명명된 트랜스듀서)는 필요한 공간 해상도와 시야의 형상에 따라 선택됩니다. 프로브의 중심 주파수가 높을수록 공간 해상도가 향상되지만 이미징 깊이가 짧아진다. 선형, 곡선 또는 위상 배열 프로브는 각각 직사각형, 원형 섹터 및 플랫 탑 섹터 셰이프의 시야를 제공합니다.

각도 종속성
초고속 도플러는 혈류 각도에 대한 의존성에 관한 기존의 도플러와 동일한 제약 조건을 공유합니...

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감사의 글

슈레아 샤의 교정과 조언에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
혈액 모방 유체CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA069DTF
도플러 플로우 팬텀CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USAATS523A
MatlabMathWorks, Natick, Massachusetts, United States
연동 펌프 / 도플러 플로우 펌프CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA769튜브 및 펄스 댐퍼 포함
변환기 어댑터Verasonics, Kirkland, Washington, USAUTA 408-GE
초고속 초음파 연구 스캐너Verasonics, Kirkland, Washington, USAVantage 256
초음파 프로브/변환기GE HealthcareGE 9L-D

참고문헌

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