복부대동맥류의 정량적 변형 매핑
출처: 한나 엘 세불1,아르빈 에이치 소프리야트나1,존 J. 보일2, 크레이그 J. 괴르겐1
1 웰던 생물 의학 공학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, 인디애나
2 기계 공학 및 재료 과학, 세인트 루이스워싱턴 대학, 세인트 루이스, 미주리
혈관, 피부, 힘줄 및…
1. 4D 초음파 설정
- 이미징 소프트웨어를 사용할 때 수학 컴퓨팅 소프트웨어를 실행할 수 있는 랩톱을 사용하여 4D 수집 프로세스를 자동화합니다. USB 포트를 통해 초음파 시스템에이 사용자 정의 코드와 노트북을 연결합니다. 이미징 소프트웨어에는 소프트웨어에 통합된 4D 초음파 기능이 있습니다.
- 초음파 시스템을 켠 후 생리 모니터링 장치를 설정하는 동시에 심박수 및 온도 버튼이 켜져 있는지 확인합니다. 트랜스듀서 홀더에 부착된 3D 모터 스테이지를 초기화합니다.
- 이미지 수집을 위해 적절한 단계 및 초음파 트랜스듀서를 사용합니다. 모든 적절한 연결이 이루어지도록 합니다.
- 이미징을 위해 동물을 마취하고 준비합니다. 각막 건조를 방지하고, 단계 전극에 발을 고정하고, 윤활유 반두엽 온도 프로브를 삽입하기 위해 안과 연고를 눈에 추가합니다. 디필레토리 크림을 사용하여 관심 있는 부위에 털을 제거합니다.
- 디필리 크림이 제거되었는지 확인하십시오. 그런 다음, 동물에게 따뜻한 초음파 변환 젤의 넉넉한 양을 적용합니다. 이것은 4D 화상 진찰을 위한 관심의 전체 지구에 좋은 연결을 만드는 것이 특히 중요합니다.
2. 4D 초음파 취득
- 초음파 시스템에 대한 새로운 연구를 시작하고 B 모드 (밝기 모드)에서 이미징 창을 엽니 다. 트랜스듀서를 동물에 낮추고 스테이지의 x 축 노브를 사용하여 관심 영역을 찾아 호흡 속도가 크게 감소하지 않도록 합니다. 화면 하단에서 이를 모니터링합니다.
- 변환기를 관심 영역의 중간에 배치합니다. 거기에서, 이해 유도인이 위아래로 이동하는 데 필요한 거리를 대략화하여 전체 관심 영역이 포함됩니다.
- 일반적으로 복부 대동맥류 이미징의 경우 ~0.08mm인 스텝 크기를 포함하는 컴퓨팅 소프트웨어 코드에 대략적인 치수를 입력합니다. 동물의 심장과 호흡속도가 안정되어 있는지 확인한 후 코드를 실행하기 시작합니다. 이는 이미지를 재구성할 때 오류를 줄이는 데 중요합니다.
- 이미지 수집을 완료한 후 데이터를 원시 XML 파일로 내보냅니다.
3. 4D 초음파 데이터 변환
- 원시 XML 파일을 데이터를 3D 얼룩 분석을 위한 적절한 형식으로 변환할 수 있는 소프트웨어에 입력합니다. 여기서 우리는 Matlab을 사용하여 XML 파일을 MAT 파일로 변환합니다. 전체 Matlab 스크립트는 여기에서 확인할 수 있습니다.
- 적절한 변환을 위해서는 프레임 수, 단계 크기 및 원하는 출력 해상도도 입력해야 합니다.
- 행렬을 평면을 통해 샘플링한 후 새 MAT 파일을 3D 변형 분석 코드로 가져옵니다.
4.3D 변형 코드 분석
- 가져온 MAT 파일을 적절하게 조정하여 분석을 시작합니다. 예를 들어 계산 시간을 줄이기 위해 이미지 볼륨을 다시 조정해야 할 수 있습니다.
- 분석할 영역을 입력하고 이미지 데이터를 간단한 상자 또는 수동으로 선택한 다각형으로 분할하는 적절한 메시 템플릿을 결정합니다. 영역의 상자 크기와 중심 점 간의 간격은 각 데이터 집합에 대해 변경해야 할 수 있습니다. 상자 크기에 대해 선택한 최적의 숫자는 추적중인 피쳐의 픽셀 순서 주위에 있을 것이며, 이는 한 조각에서 두 차원의 픽셀 수를 보면 근사 할 수 있습니다. 상자 간격은 스트레인 필드의 해상도를 결정합니다. 더 많은 상자가 해상도를 증가시킬 뿐만 아니라 계산 시간이 크게 증가할 수도 있습니다.
- 이러한 각 영역 내에서 야코비안과 그라데이션을 반복적으로 계산하기 시작합니다. 사전 계산이 완료되면 뒤틀기 함수를 적용합니다.
- 변형 그라데이션 텐서를 계산합니다. 먼저 변형을 계산한 다음, 직접 변형 추정 방법을 사용하여 eigenvalue 및 eigenvectors를 계산합니다.
- 이러한 결과를 플롯하면 커팅 평면의 색상 매핑과 같은 기술을 사용하여 관심 지역에 대한 스트레인 필드를 나타냅니다.
3차원 스트레인 이미징은 시간 경과에 따른 연조직의 변형을 추정하고 질병을 이해하는 데 사용됩니다. 피부, 혈관, 힘줄 및 기타 장기와 같은 연조직의 기계적 거동은 노화와 질병으로 인해 변경될 수 있는 세포 외 구성에 큰 영향을 받습니다. 복잡한 생물학적 조직 내에서 이러한 변화를 특성화하는 것이 중요하며, 이는 장기의 기계적 및 기능적 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
정량적 변형률 매핑은 체적 이미지 데이터와 직접 변형 추정 방법을 사용하여 공간적으로 다양한 3차원 변형률 필드를 계산합니다. 이 동영상은 스트레인 매핑의 원리를 설명하고, 정량적 스트레인 매핑을 사용하여 복잡한 생물학적 조직 내의 스트레인 필드를 추정하는 방법을 보여주고, 다른 응용 분야에 대해 논의합니다.
생물학적 조직은 엘라스틴과 콜라겐의 구성과 방향에 큰 영향을 받습니다. 엘라스틴 단백질은 혈관 및 폐와 같이 지속적으로 늘어나고 수축하는 조직의 매우 탄력적인 구성 요소입니다. 콜라겐은 신체에서 가장 풍부한 단백질이며, 피부에서 뼈에 이르는 조직에 구조적 무결성을 제공하는 더 큰 섬유로 묶인 개별 삼중 나선 중합체로 조립됩니다.
이러한 단백질의 방향은 정렬된 섬유에서 섬유질 그물망에 이르기까지 다양하며, 이는 조직의 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 변형률은 시간 경과에 따른 연조직의 상대적 변형을 측정한 것으로, 부상과 질병을 시각화하는 데 사용할 수 있습니다. 수학적 추정을 사용하여 설명되고 매핑됩니다.
심장과 같은 복잡한 장기의 변형을 매핑하기 위해 고해상도, 공간 및 시간 정보를 제공하는 4차원 초음파 데이터를 사용할 수 있습니다. 그런 다음 직접 변형 추정 방법(DDE)이 데이터에 적용됩니다. 다음 방정식을 사용하여 3D 변형 및 해당 Green-Lagrange 변형률을 추정하는 코드가 사용됩니다.
Green-Lagrange 변형 텐서는 변형 그래디언트 텐서와 2차 항등 텐서에 따라 달라집니다. 변형 구배 텐서는 전통적으로 변위 필드에서 추정됩니다. DDE 방법에서 워핑 함수는 변형 텐서와 직접 유사하도록 최적화됩니다. 워핑 기능은 공간 위치와 워핑 파라미터에 따라 달라집니다. 변형 계산은 워핑 기능에 직접 통합됩니다. 처음 9개 요소는 변형 기울기 텐서를 나타냅니다.
이 방법은 연조직에서 큰 변형과 국부적인 변형을 모두 추정하는 데 사용됩니다. 이제 스트레인 매핑의 원리를 이해했으므로 이제 마우스에서 대동맥류를 감지하기 위해 스트레인 매핑이 어떻게 수행되는지 살펴보겠습니다.
설정을 시작하려면 Vivo 2100 소프트웨어를 열고 노트북을 초음파 시스템에 연결하십시오. 심박수와 체온을 측정하기 위해 생리학적 모니터링 장치가 켜져 있는지 확인하십시오. 그런 다음 3D 모터 스테이지를 초기화합니다.
초음파 변환기를 설치하고 모든 적절한 연결이 이루어졌는지 확인하십시오. 다음으로, 녹다운 챔버에서 3% 이소플루란을 사용하여 이미지화할 동물을 마취합니다. 마우스가 마취되면 가열된 스테이지로 이동하고 노즈콘을 고정하여 1-2% 이소플루란을 전달합니다. 눈에 안과 연고를 바르고 발을 무대 전극에 고정하여 동물의 호흡과 심박수를 모니터링합니다. 그런 다음 직장 온도 프로브를 삽입합니다. 제모 크림을 바르고 관심 부위의 털을 제거한 다음 제모된 부위에 따뜻한 초음파 젤을 넉넉히 바릅니다.
이미지 획득을 시작하려면 먼저 이미징 창을 열고 B 모드를 선택합니다. 그런 다음 변환기를 동물 쪽으로 내리고 스테이지의 x축 및 y축 손잡이를 사용하여 관심 영역을 찾습니다. 호흡수를 모니터링하여 급격히 감소하지 않는지 확인하십시오. 관심 영역의 중간에 변환기를 배치합니다. 그런 다음 전체 관심 영역을 커버하는 데 필요한 거리를 대략적으로 계산합니다.
MATLAB 코드에 이러한 차원을 입력하고 0.08mm의 스텝 크기를 선택합니다. 동물의 심장 박동수와 호흡수가 안정적인지 확인한 다음 MATLAB 코드를 실행합니다.
이미지 획득 후 데이터를 원시 XML 파일로 내보내고 MAT 파일로 변환합니다. 프레임 수, 스텝 크기 및 출력 해상도를 입력해야 합니다. 그런 다음 through-plane에서 행렬을 다시 샘플링합니다.
새 MAT 파일을 3D 변형률 해석 코드로 가져옵니다. 계산 시간을 줄이기 위해 파일의 크기를 다시 조정해야 할 수도 있습니다. 그런 다음 분석할 영역을 입력합니다. 추적된 피처의 2차원 슬라이스에 있는 픽셀 수를 대략적으로 계산하고 메시 템플릿을 간단한 상자 또는 수동으로 선택한 다각형으로 선택합니다. 메쉬 크기에 대한 최적의 픽셀 번호를 선택합니다. 야코비 행렬과 기울기를 계산합니다. 각 지역에 대해 반복합니다. 그런 다음 워핑 기능을 적용합니다.
다음으로, DDE에서 계산된 데카르트 변형을 사용하여 변형의 고유값과 고유 벡터를 결정합니다. 그런 다음, 장축(Long axis), 정렬 축(sort axis), 코로나 축(coronal axis) 보기를 스크롤하여 변형률 값을 플로팅할 슬라이스를 선택합니다.
Select Manifold를 눌러 해석합니다. 그런 다음 커서를 사용하여 대동맥 벽을 따라 혈전, 동맥류 및 대동맥의 건강한 부분을 포함한 마커를 배치합니다. 모든 뷰에 대해 반복합니다. 마지막으로, 색상 매핑을 사용하여 관심 영역에 대한 변형률장의 결과를 플로팅합니다.
마우스에서 획득한 안지오텐신 II에 의한 상부 절제 복부 대동맥류의 예를 자세히 살펴보겠습니다. 먼저, 대동맥을 따라 주어진 단계 크기에서 여러 개의 단축 ECG 게이트 킬로헤르츠 시각화 루프를 얻고 결합하여 4D 데이터를 생성합니다.
최적화된 워핑 기능을 사용하여 3D 변형률 계산을 수행한 후 infrarenal aorta의 3D 슬라이스 시각화 플롯을 얻습니다. 주요 녹색 변형률의 색상 맵은 이질적인 대동맥 벽 변형 영역을 강조하기 위해 오버레이됩니다. 또한 장축 및 단축 보기는 특히 혈전이 존재할 때 변형률의 이질적인 공간 변화를 보여줍니다.
해당 변형률 플롯은 장축에서 대동맥의 건강한 영역에서 더 높은 변형률 값을 보여주는 반면, 동맥류 영역은 짧은 축에서 감소된 변형률을 보여줍니다.
직접 변형 추정을 사용한 정확한 정량적 변형률 시각화는 다양한 생체 의학 응용 분야에서 사용되는 유용한 도구입니다.
예를 들어, 심장 긴장을 정량화할 수 있습니다. 심장 주기 동안 심근은 3D 변형을 겪습니다. 3차원에서 변형률을 정량화하는 것은 시간이 지남에 따라 이 조직의 역학을 안정적으로 특성화하는 데 필수적입니다. 이는 동물 모델에서 질병 진행을 추적하는 데 유용합니다.
또 다른 응용 분야는 장 조직의 특성화입니다. 장의 생체 내 이미징은 주변 구조의 영향 때문에 어렵습니다. 그러나 장 섬유증 이미지에서 균주를 계산하는 것은 외과적 개입이 필요한 문제 부위를 조기에 발견하는 데 특히 유용할 수 있습니다.
훨씬 더 작은 규모에서 이 DDE 방법은 컨포칼 현미경과 같은 고해상도 이미징 기술을 사용하여 세포 수준에도 적용됩니다. 예를 들어, 세포외 기질의 특성화를 통해 세포가 기계적 변화 하에서 어떻게 소통하는지 이해하는 데 도움이 됩니다.
방금 JoVE의 정량적 변형 시각화에 대한 소개를 시청했습니다. 이제 생물학적 조직에서 3차원 변형을 측정하는 방법과 이를 조기 질병 감지에 사용하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
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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.