Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Ultrasnelle Doppler vasculaire beeldvorming voor intraoperatieve fysiologische monitoring van menselijk ruggenmerg

689 weergaven

⸱

DOI:

10.3791/68260

⸱

29 augustus 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1College of Biomedical Engineering, Fudan University, 2Department of Neurosurgery, Huashan Hospital, Fudan University, 3Poda Medical Technology Co., Ltd., 4State Key Laboratory of Integrated Chips and Systems, Fudan University

In dit artikel

Samenvatting

Deze studie presenteert de toepassing van ultrasnelle Doppler vasculaire beeldvorming voor fysiologische monitoring tijdens menselijke ruggenmergchirurgie.

Samenvatting

Het monitoren van fysiologische parameters is essentieel voor het beoordelen van de toestand van de patiënt tijdens intraoperatieve scenario's. Hemodynamische informatie, zoals bloeddruk en hartslag, kan worden afgeleid uit ultrasone Doppler-signalen, die de vasculaire functie weerspiegelen en pathologische risico's in realtime aangeven. Vergeleken met oscillometrie, magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), conventionele Doppler en piëzo-elektrische methoden, biedt ultrasnelle Doppler een superieure temporele resolutie en een hoge gevoeligheid voor kleine schepen. In deze studie wordt een intraoperatieve toepassing van ultrasnelle Doppler-beeldvorming in het ruggenmerg van een patiënt met Chiari-misvorming beschreven. Nabewerking van de gegevens genereerde power Doppler-beelden van het vaatstelsel van het ruggenmerg en fysiologische parameters, inclusief gedetailleerde kartering van de weerstandsindex (RI) en pulsatiliteitsindex (PI). Zowel RI als PI vertoonden significante verminderingen na chirurgische ingreep (RI-gemiddelde: 0,47 → 0,32; PI gemiddelde: 0,63 → 0,39; p < 0,001), met consistente trends waargenomen in de medianen, wat wijst op verbeterde hemodynamica van het ruggenmerg. Evaluatie van veranderingen in PI/RI-parameters met behulp van deze methode kan een breder begrip bieden van ziekteprogressie en werkzaamheid van de behandeling, en mogelijk als leidraad dienen voor chirurgische strategieën en therapeutische benaderingen.

Inleiding

Bloeddrukdynamiek, als een belangrijke intraoperatieve fysiologische indicator, biedt waardevolle richtlijnen voor chirurgische strategie en zorgt voor operationele veiligheid1. Pulsgolven, gegenereerd door de periodieke samentrekking en ontspanning van het hart, planten zich vanuit de aorta voort door het arteriële vaatstelsel als drukgolven2. Deze golven kunnen worden beschouwd als een directe manifestatie van de cardiovasculaire functie en bieden cruciale informatie voor het begrijpen van de bloeddrukdynamiek en de algehele hemodynamica3. In de klinische praktijk worden pulsgolven op grote schaal gebruikt voor continue beoordeling van hemodynamische status4.

Als relaisstation en reflexcentrum binnen het centrale zenuwstelsel speelt het ruggenmerg een cruciale rol bij het overbrengen van motorische en sensorische informatie. De stabiliteit van de bloedtoevoer is cruciaal voor het behoud en herstel van de neurologische functie6. Het pulserende bloedstroomsignaal van het ruggenmerg is nauw verbonden met de pulsgolf en bevat informatie over vasculaire elasticiteit en hemodynamica, waardoor de fysiologische en pathologische veranderingen van het ruggenmerg worden weerspiegeld. Het monitoren van deze signalen staat voor aanzienlijke uitdagingen vanwege het kleine formaat van het ruggenmerg, de ingewikkelde vasculaire architectuur7 en de complexe bloedstroompatronen8, die een effectieve beoordeling van pulsgolven van het ruggenmerg bemoeilijken.

Er zijn verschillende technieken voorgesteld voor het beoordelen van pulsgolven. De oscillometrische analysemethode is eenvoudig te bedienen en zorgt voor snelle metingen. De nauwkeurigheid van de resultaten kan echter worden beïnvloed door factoren zoals artefacten, de houding van de patiënt en de juiste maat en plaatsing van de manchet 9,10. Sommige piëzo-elektrische biosignaalsensoren, zoals piëzo-elektrische pulssensoren, kunnen pulsgolven efficiënt detecteren, maar hun nauwkeurigheid kan in het gedrang komen door mechanische trillingen of temperatuurschommelingen; ondertussen zijn optische sensoren zoals fotoplethysmografie (PPG) gevoelig voor omgevingslicht en bewegingsartefacten11. Bovendien kunnen deze technieken alleen gelokaliseerde pulsgolfsignalen opvangen en missen ze de mogelijkheid om tegelijkertijd beeldvormingsinformatie van de waargenomen structuur te verstrekken12.

Als krachtige beeldvormingsmodaliteit biedt magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) een relatief hoge ruimtelijke resolutie van de arteriële wanden van het ruggenmerg, maar het is kostbaar en heeft beperkte toegankelijkheid13. Computertomografie (CT)-beeldvorming zorgt voor snellere scantijden en een bredere beschikbaarheid, maar zendt ioniserende straling uit, waardoor het gebruik ervan voor herhaalde beoordelingen wordt beperkt14. Conventionele Doppler-echografie maakt real-time beoordeling van de dynamiek van de bloedstroom mogelijk via twee complementaire beeldvormingsmodi: kleurendoppler en pulsgolfdoppler (PWD). Kleurendoppler biedt een kwalitatief overzicht van stroomsnelheden over het hele gezichtsveld door het medium regel voor regel te scannen, maar heeft last van lage framesnelheden en een slechte gevoeligheid voor langzame of diepe stromen. PWD biedt kwantitatieve temporele informatie over golfvormen van de bloedstroom, maar is beperkt tot een enkel, door de gebruiker gedefinieerd interessegebied. Als gevolg hiervan is het toepasbaar voor sterke hemodynamica in slagaders en aders en kwantificeert het onmiddellijke pulsgolfvormen binnen een klein gezichtsveld15. Contrastversterkte echografie verbetert de visualisatie van de bloedstroom door het gebruik van microbellen; De vereiste voor contrastinjectie roept echter veiligheidsproblemen op in intraoperatieve omgevingen, waardoor het minder geschikt is voor real-time beoordeling van vasculaire pulsatiliteit16. Fotoakoestische en optische beeldvormingstechnieken bieden een hoog contrast en ruimtelijke resolutie voor vasculaire beeldvorming, met name in oppervlakkige weefsels. Hun sterke afhankelijkheid van optische toegang beperkt echter aanzienlijk hun toepasbaarheid op diepgewortelde structuren zoals het ruggenmerg17.

In de afgelopen jaren is ultrasnelle echografie snel vooruitgegaan met een groot potentieel in vasculaire beeldvorming18. In tegenstelling tot traditionele gefocusseerde bundelscanning, maakt ultrasnelle Doppler gebruik van samengestelde vlakke golftechnieken met meerdere hoeken, die de gevoeligheid van ultrasone beeldvorming met ongeveer 50-voudig verbeteren en de detectie van kleine bloedvaten sterk verbeteren 15,19,20. Voor elke pixel in het beeld kan een volledig Doppler-spectrum worden verkregen, waardoor uitgebreide informatie over de bloedstroomsnelheid en -richting21 kan worden verkregen. Dit kan worden gebruikt om vasculaire indices zoals de weerstandsindex (RI) en pulsatiliteitsindex (PI) in het hele beeldvormingsgebied te schatten. Met name in 2014 pasten Demene et al.22 ultrasnelle Doppler-technologie toe op neonatale cerebrale bloedstroombeeldvorming, waarbij een gedetailleerde distributiekaart van cerebrale vasculaire RI bij pasgeborenen werd gepresenteerd. Deze vooruitgang biedt een nieuw hulpmiddel voor het begrijpen van de mechanismen van autoregulatie van de cerebrale bloedstroom en de pathogenese van verwante ziekten bij te vroeg geboren en voldragen zuigelingen. In 2020 stelden Bourquin et al.23,24 dynamische ultrasone lokalisatiemicroscopie (DULM) voor op basis van ultrasnelle ultrasone technologie om in vivo metingen van pulserende microcirculatie in de hersenen van knaagdieren te bereiken en breidden deze techniek uit tot driedimensionale beeldvorming, wat een nieuwe dimensie biedt voor kwantitatieve analyse.

Op weg naar vasculaire beeldvorming van het ruggenmerg bereikten Zang et al.25 in 2021 microvasculaire beeldvorming van het ruggenmerg zonder contrastmiddelen met behulp van ultrasnelle Doppler, met een beeldvormingsresolutie die vergelijkbaar is met de doorgegeven golflengte. Sui et al.26. gebruikte een willekeurige bemonsteringsmethode op basis van robuuste hoofdcomponentenanalyse (RPCA) om snelle, hoge signaal-ruisverhouding ultrasnelle Doppler-beeldvorming van de microcirculatie in de hersenen en het ruggenmerg te bereiken. Pezet et al.27 observeerden vasculaire reconstructie na chronische dwarslaesie. In 2022 bereikten Yu et al.28 ultrasnelle superresolutie-ultrasone lokalisatiemicroscopie van de microcirculatie van het ruggenmerg bij ratten op basis van RPCA, met een beeldvormingsresolutie van 13-16 μm, aanzienlijk kleiner dan de golflengte van 100 μm. Verdere studies omvatten continue observatie en kwantitatieve analyse van de microcirculatie in de penumbra van het ruggenmerg na een dwarslaesie29. In 2023 gebruikten Yan et al.30 ultrasnelle ultrasone vector Doppler om gevectoriseerde beeldvorming uit te voeren van de bloedstroom van kleine bloedvaten in menselijke ruggenmergtumoren en beoordeelden ze de sequentiegerelateerde veiligheid in detail op basis van experimentele sequentieparameters. In 2024 voerden Agyeman et al.31 de eerste functionele echografie uit van het ruggenmerg bij mensen, die de integratie van functionele reacties van het ruggenmerg op elektrische stimulatie aantoonde. Khaing et al.32 valideerden de correlatie tussen indicatoren voor perfusiebeeldvorming en de ernst van het letsel bij zowel ratten als mensen na acuut traumatisch ruggenmergletsel. De detectie en analyse van hemodynamische indices in pulsgolven van het ruggenmerg vereist echter nog verder onderzoek.

Chiari-misvorming vertegenwoordigt een significante en veel voorkomende aandoening die het ruggenmerg aantast. Het induceert dynamische veranderingen in het hersenvocht en de compressie van het ruggenmerg, waardoor de doorbloeding van het ruggenmerg en de vasculaire regulatie worden verstoord, wat kan leiden tot abnormale veneuze drainage33, verhoogde vasculaire weerstand34 en mogelijke ischemie van het ruggenmerg35. Observatie van pulsgolven van het ruggenmerg vergemakkelijkt een beter begrip van de hemodynamische veranderingen van het ruggenmerg en biedt waardevolle inzichten voor het diagnosticeren en behandelen van Chiari-misvorming en andere aandoeningen van het ruggenmerg36.

Deze studie presenteert een uitgebreid protocol voor het gebruik van ultrasnelle Doppler vasculaire beeldvorming om intraoperatief de fysiologische parameters van het ruggenmerg bij mensen te monitoren, met een specifieke focus op de toepassing ervan bij een patiënt met Chiari-misvorming. Deze methode maakt real-time acquisitie mogelijk van ultrasnelle Doppler-gegevens met hoge framesnelheid tijdens blootstelling van het ruggenmerg, gevolgd door nabewerking om pixelgewijze kaarten van RI en PI te genereren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Bij deze studie waren menselijke proefpersonen betrokken en alle procedures werden uitgevoerd in overeenstemming met protocollen die zijn goedgekeurd door de Human Research Ethics Committee, Huashan Hospital verbonden aan Fudan University (2021-065). Van alle deelnemers werd geïnformeerde toestemming verkregen. De implementatie was uitsluitend bedoeld voor voorbereidend onderzoek en validatiedoeleinden, niet voor klinische diagnose. Relevante door de FDA aanbevolen veiligheidsindices werden beoordeeld om ervoor te zorgen dat aan de vastgestelde veiligheidsnormen wordt voldaan. Patiënten die in deze studie waren opgenomen, werden gediagnosticeerd met Chiari-misvorming. De opname-, uitsluitings- en terugtrekkingscriteria voor deelnemers zijn opgenomen in Aanvullend Dossier 1. De gebruikte reagentia en apparatuur staan vermeld in de materiaaltabel.

1. Voorbereiding van het instrument

  1. Bereid het ultrasone beeldvormingssysteem voor.
    1. Sluit de 128-kanaals lineaire array aan op het programmeerbare ultrasone systeem.
      OPMERKING: Bescherm de ultrasone sonde met behulp van een op maat ontworpen behuizing, gemodelleerd met 3D-software en vervaardigd door middel van 3D-printen. De sonde die in dit onderzoek werd gebruikt, was een geminiaturiseerde, aangepaste versie in plaats van een commerciële versie. Het ultrasone systeemplatform dat in deze studie wordt gebruikt, is eerder in verschillende onderzoeken toegepast voor het onderzoek naar menselijke vasculaire beeldvorming 37,38,39,40.
    2. Stel de middenfrequentie van de transducer in op 15.625 MHz, wat overeenkomt met een ruimtelijke resolutie van 100 μm.
    3. Zorg ervoor dat de afstand tussen aangrenzende elementen is geconfigureerd als 0.1 mm.
  2. Kalibreer het apparaat, test de code en zorg ervoor dat het systeem correct werkt.
  3. Zet een platform op voor stabiele beeldvorming.
    1. Plaats de robotarm naast het operatiebed en vergrendel deze stevig op zijn plaats voor latere sondefixatie.
    2. Zorg ervoor dat de sonde tijdens de beeldvormingssessie gefixeerd blijft.
      OPMERKING: Deze opstelling minimaliseert schudden en positieverschuivingen veroorzaakt door handmatige bediening, waardoor de stabiliteit en consistentie van de positionering van de sonde tijdens de beeldvorming worden verbeterd.

2. Voorbereiding van ultrasone sequentie

  1. Stel een geschikte beelddiepte in op basis van de B-modus ultrasone beeldvorming.
  2. Stel de samengestelde framesnelheid in op 1000 Hz.
  3. Stel de acquisitietijd in op 0,4 s.
  4. Zend 11 gekantelde vlakke golven uit, gelijkmatig verdeeld tussen -10° en +10°, met een pulsherhalingsfrequentie van 11.000 Hz.
    OPMERKING: Gekantelde vlakke golven worden uitgezonden onder verschillende hoeken ten opzichte van de zijas van de sonde. In deze studie waren 11 vlakke golven gelijkmatig verdeeld van -10° tot +10°.

3. Positionering van de sonde

  1. Bedek de ultrasone sonde met een steriele beschermzak voor medische instrumenten (Figuur 1A).
    1. Breng een ruime hoeveelheid ultrasone gel aan in de steriele zak.
    2. Steek de sonde in de zak.
    3. Zet de sonde vast in de tas met een elastiekje.
      OPMERKING: Akoestische koppeling werd bereikt door steriele ultrasone gel aan te brengen op het binnenoppervlak van de steriele zak, die de sonde omsloot. De zak zelf werd direct in contact gebracht met menselijk weefsel, waardoor een effectieve ultrasone overdracht mogelijk was zonder direct contact tussen het koppelingsmedium en het weefsel.
  2. Zet de sonde vast met de robotarm (Figuur 1B).
    1. Plaats de sonde precies op het blootgestelde oppervlak van het ruggenmerg na laminectomie.
    2. Stabiliseer de sonde met behulp van de robotarm om een consistente positionering tijdens de beeldvorming te behouden.
      OPMERKING: De pneumatische robotarm werd gebruikt om de ultrasone sonde te stabiliseren. Hoewel het geen automatische scanmogelijkheden heeft, maakt de arm nauwkeurige handmatige positionering en stabiliteit mogelijk tijdens het gegevensverzamelingsproces. De arm, uitgerust in de operatiekamer, werd handmatig bediend en gefixeerd door de primaire chirurg. Eerst werden alle belangrijke verbindingen vastgezet, gevolgd door een fijnafstelling van de klemverbinding die de sonde onder de B-modus ultrasone geleiding houdt.

4. Gegevensverzameling

  1. Stel een geschikte beelddiepte in op basis van de B-modus ultrasone beeldvorming.
  2. Gebruik real-time B-mode echografie om het juiste beeldvormingsvlak te identificeren.
  3. Lokaliseer de hernia, de cerebellaire amandelen en het ruggenmerg.
    OPMERKING: Bevestig de juiste uitlijning wanneer zowel het ruggenmerg als de cerebellaire amandelen duidelijk worden gevisualiseerd binnen hetzelfde beeldvormingsvlak, met te onderscheiden grenzen en de juiste anatomische oriëntatie. Zorg er in het beeldvormingsvlak in de B-modus voor dat de cerebellaire amandelen superieur lijken aan het ruggenmerg en dat de dorsale rand van het ruggenmerg duidelijk is gedefinieerd met links-rechtssymmetrie. Nadat u het juiste beeldvormingsvlak hebt bevestigd, verkrijgt u een enkel ultrasnel Doppler-beeld om de aanwezigheid en stabiliteit van bloedstroomsignalen te verifiëren.
  4. Beëindig de B-modusreeks en start de ultrasnelle reeks voor gegevensverzameling.
    OPMERKING: Voer de procedure uit onder normale kamertemperatuur. De beeldvormingsduur is kort en de sonde vertoonde geen merkbare temperatuurstijging tijdens de acquisitie. Deze methode biedt een duidelijke visualisatie van de structuren van het ruggenmerg tijdens de operatie, waardoor nauwkeurige sonde-aanpassingen mogelijk zijn om optimale vasculaire beeldvorming te bereiken, en maakt vergelijking met preoperatieve MRI-beelden mogelijk. In het geval dat in dit onderzoek werd gepresenteerd, was het oorspronkelijke dieptebereik van de beeldvorming 0,5 tot 9,5 mm. De werkelijke beelddiepte werd constant gehouden over alle panelen.

5. Analyse van het pulserende bloedstroomsignaal van het ruggenmerg vóór de therapie (Figuur 2)

  1. Genereer power Doppler-beelden van het vaatstelsel van het ruggenmerg. (Figuur 3)
    OPMERKING: De stabiliteit van de sonde werd geëvalueerd door middel van beeldvormingsanalyse van de power Doppler. De consistente visualisatie van ruimtelijk verschillende vaten zonder versmerende artefacten toont de werkzaamheid van de robotarm aan bij het behoud van een stabiel akoestisch venster tijdens de acquisitie.
    1. Voer beamforming uit op de verkregen radiofrequentiegegevens.
    2. Pas de op enkelvoudige waarde gebaseerde spatiotemporele filtermethode (SVD) toe om weefselsignalen te scheiden van bloedstroomsignalen en hoogfrequente ruis te verwijderen. Stel de juiste drempels in om de gewenste bloedstroomcomponenten te extraheren.
      OPMERKING: Het ultrasone beeldsignaal bestaat uit componenten van zacht weefsel, bloedstroom en willekeurige ruis. SVD-gebaseerde spatiotemporele filtering scheidt deze componenten op basis van hun spatiotemporele kenmerken41. Deze methode ontleedt de ultrasone beeldgegevens in enkelvoudige vectoren en de bijbehorende enkelvoudige waarden. Door een filterdrempel van de singuliere waarden in te stellen, worden grote singuliere waarden geassocieerd met eigenvectoren die weefselcomponenten vertegenwoordigen met een sterke spatiotemporele correlatie, komen medium singuliere waarden overeen met dynamische bloedstroomsignalen en kleine singuliere waarden vertegenwoordigen voornamelijk ruis. In deze studie werden de SVD-drempels ingesteld om singuliere componenten 80-380 te behouden voorafgaand aan elektrocauterisatiebehandeling en 50-380 na chirurgische ingreep. Deze drempel werd empirisch bepaald op basis van eerdere ervaringen (aanvullende figuur 7).
    3. Demoduleer het gefilterde bloedstroomsignaal in in-fase/kwadratuur (IQ) complexe signalen figure-protocol-1. Bereken de gemiddelde signaalintensiteit bij elke pixel om het vermogen Doppler-beeld PW (x,z) te verkrijgen (vergelijking 1)15. Nt is het aantal verworven frames.
      figure-protocol-2 (1)
      OPMERKING: In aanmerking komende Doppler-gegevens worden gekenmerkt door een duidelijke vasculaire weergave en een hoge signaal-ruisverhouding. Als de vasculaire visualisatie suboptimaal is, gaat u opnieuw naar stap 5.1.2 en past u het SVD-drempelbereik dienovereenkomstig aan.
  2. Voer een tijd-frequentieanalyse uit van het Doppler-signaal (Figuur 4).
    1. Segmenteer het bloedstroomsignaal met behulp van een kort tijdsvenster (Figuur 4A).
    2. Pas de Fast Fourier Transform (FFT) toe om de spectrale vermogensdichtheid bij elke pixel te schatten (Afbeelding 4B).
      OPMERKING: De vensterlengte werd gekozen om ten minste één hartcyclus voldoende te dekken, zodat zowel de systolische als de diastolische frequentiecomponenten betrouwbaar konden worden geïdentificeerd. Een Hann-venster werd gebruikt om spectrale lekkage te verminderen en aangrenzende vensters werden overlapt om de temporele resolutie te verbeteren. In deze studie werd FFT toegepast met behulp van een Hann-venster met lengte 80 met een overlap van 70%.
    3. Schuif het venster continu om de in de tijd variërende gemiddelde Doppler-frequentie te verkrijgen.
  3. Bereken RI- en PI-kaarten (Figuur 4C en Figuur 5A-D).
    1. Analyseer de gemiddelde Doppler-frequentie van bloedstroomsignalen in de loop van de tijd bij specifieke pixels (Figuur 4C).
      OPMERKING: De validiteit van frequentieanalyse kan worden bevestigd door periodieke fluctuaties in de gemiddelde Doppler-frequentie waar te nemen die overeenkomen met de hartcyclus.
    2. Bepaal de bloedstroomsnelheid en de variaties ervan om RI (vergelijking 2)15 en PI (vergelijking 3)15 te berekenen. VPSV is de systolische pieksnelheid, VEDV is de einddiastolische snelheid en het V-gemiddelde is de gemiddelde stroomsnelheid.
      figure-protocol-3 (2)
      figure-protocol-4 (3)
    3. Vereenvoudig de RI- en PI-berekening met behulp van de Doppler-frequentie. Bereken RI (vergelijking 4) en PI (vergelijking 5) over het hele ruggenmerg. fgemiddelde (x,z,t) is de gemiddelde Dopplerfrequentie binnen een gedefinieerd tijdvenster15.
      figure-protocol-5 (4)
      figure-protocol-6 (5)
      OPMERKING: Als gevolg van de bloedstroom ondergaat het ultrasone signaal een frequentieafwijking die bekend staat als Doppler-verschuiving, die verband houdt met de bloedstroomsnelheid V (vergelijking 6). fDoppler staat voor de Doppler-frequentieverschuiving, c0 staat voor de geluidssnelheid in menselijk zacht weefsel, f-puls is de uitgezonden frequentie van de ultrasone sonde en is de hoek tussen de ultrasone straal en de richting van de bloedstroom15.
      figure-protocol-7 (6)
    4. De gemiddelde Dopplerfrequentie vertegenwoordigt de gemiddelde waarde van de verschuiving binnen een bepaald tijdvenster. Aangezien V evenredig is met de Doppler-verschuiving, kan deze worden benaderd door de gemiddelde Doppler-frequentie bij elke pixel in de loop van de tijd te evalueren.
  4. Statistische analyse van RI en PI
    1. Gebruik logische maskers om geldige RI- en PI-waarden te extraheren uit interessegebieden en sluit uitschieters uit met behulp van de methode voor het interkwartielbereik (IQR).
    2. Voer een gewogen t-toets voor studenten uit om verschillen tussen pre- en postoperatieve aandoeningen te evalueren, rekening houdend met de pixelgewijze gegevensstructuur.
      OPMERKING: Statistische analyses van RI en PI werden uitgevoerd op pixelniveau en groepsverschillen werden gevisualiseerd met behulp van boxplots met significantieniveaus aangegeven met sterretjes (*p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001).

6. Patiëntbeheer en veiligheid van beeldvormingsprotocollen

  1. Houd de vitale functies nauwlettend in de gaten. Controleer continu de hartslag, bloeddruk, ademhalingsfrequentie, zuurstofverzadiging en lichaamstemperatuur tijdens beeldvorming. Zorg voor de veiligheid en het comfort van de patiënt tijdens de procedure.
    OPMERKING: Intraoperatieve neurofysiologische monitoring (zoals somatosensorische evoked potentials en motorische evoked potentials) wordt ook uitgevoerd, aangezien zenuwbeschadiging tijdens de operatie kan optreden.
  2. Zorg voor de juiste sondedruk. Gebruik de robotarm om een stabiele en voldoende druk op de sonde te behouden. Vermijd overmatige kracht die het oppervlak van het ruggenmerg zou kunnen beschadigen.
  3. Onderhoud de communicatie met het chirurgisch team. Communiceer duidelijk met het chirurgisch team tijdens het beeldvormingsproces. Reageer snel op ongemak of onverwachte situaties voor de patiënt.

7. Acquisitie en analyse van het pulserende bloedstroomsignaal van het ruggenmerg na de therapie

  1. Herhaal de stappen beschreven in stap 5 om het doorbloedingssignaal van het ruggenmerg na de behandeling te analyseren.
    OPMERKING: Na een elektrocauterisatiebehandeling werden de cerebellaire amandelen ingetrokken met een verminderd volume, afgestompte randen en herstelden ze de anatomische relaties met de omliggende weefselstructuren (Figuur 6). Gegevensverzameling werd uitgevoerd op twee verschillende intraoperatieve tijdstippen: voorafgaand aan de elektrocauterisatiebehandeling en na chirurgische ingreep. Momenteel bevindt de exploratie van RI en PI zich in een voorbereidend stadium en is deze niet geïmplementeerd voor real-time chirurgische begeleiding. Als gevolg hiervan werd de chirurgische ingreep kort na de snelle gegevensverzameling zonder noemenswaardige onderbreking voortgezet. Vervolgens werden de verzamelde gegevens offline verwerkt (ongeveer 5-10 minuten, details van de verwerkingsstappen en timing worden verstrekt in aanvullend bestand 2), zodat er geen impact was op de chirurgische workflow. Als RI en PI in de toekomst kunnen worden gebruikt om intraoperatieve besluitvorming te ondersteunen, wordt verwacht dat ze worden geïntegreerd zonder de chirurgische tijdlijn te verstoren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Ultrasnelle Doppler biedt een hoge gevoeligheid, waardoor beeldvorming met hoge temporele resolutie van het vaatstelsel van het ruggenmerg mogelijk is. Vergeleken met kleurendoppler biedt power-doppler een hogere signaal-ruisverhouding (SNR)42. Een geschikt drempelbereik werd gebruikt voor het op SVD gebaseerde spatiotemporele filter, waardoor geldige bloedstroomsignalen konden worden geïdentificeerd en de bloedstroomrichting in beeld kon worden gebracht.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

In deze studie werd ultrasnelle Doppler-beeldvorming intraoperatief gebruikt om de bloedstroom van het menselijk ruggenmerg te extraheren. Spectrale analyse en berekening van de RI en PI werden vervolgens uitgevoerd op de bloedstroomsignalen, wat power Doppler-beelden van het ruggenmergvasculatuur en overeenkomstige RI- en PI-kaarten van de patiënt met Chiari-misvorming opleverde. In de context van ultrasnelle echografie verwijzen kleine schepen naar schepen met een diameter in de orde v...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangenconflicten hebben.

Dankbetuigingen

Dit werk werd ondersteund door het National Key Research and Development Program van China (nr. 2023YFC2410900), de National Natural Science Foundation of China (nr. 12274093) en het Shanghai International Science and Technology Cooperation Program (Grant nr. 23490713500).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
MATLAB  R2022bMathWorksN/AVoor nabewerking van gegevens
MicroscopeZEISSPENTERO 8O0 SVoor intraoperatieve microscopische observatie
Programmable ultrasound systemVerasonicsVantage 256Voor echografie van spinale bloedvaten
Robotic armAesculap RT060RVoor het fixeren van de sonde
Single crystal high frequency linear array transducersVerasonicsL22-14vX Voor echografie van spinale bloedvaten
Ultrasound gelBaby FunType MElimineert de luchtspleet tussen de sonde en het contactoppervlak

Referenties

  1. Zucker, N., et al. Physio-fus: A tissue-motion based method for heart and breathing rate assessment in neurofunctional ultrasound imaging. EBioMedicine. 112, 105581(2025).
  2. Ghosh, A., et al. Impact of cardiovascular factors on pulse wave velocity and t otal vascular resistance in different age group patients with cardiovascular disorders. Curr Aging Sci. 11 (4), 261-268 (2019).
  3. Allen, J. Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiol Meas. 28 (3), R1-R39 (2007).
  4. Kouz, K., Scheeren, T. W. L., De Backer, D., Saugel, B. Pulse wave analysis to estimate cardiac output. Anesthesiology. 134 (1), 119-126 (2021).
  5. Hochman, S. Spinal cord. Curr Biol. 17 (22), R950-R955 (2007).
  6. Montalbano, M. J., Loukas, M., Oskouian, R. J., Tubbs, R. S. Innervation of the blood vessels of the spinal cord: A comprehensive review. Neurosurg Rev. 41 (3), 733-735 (2018).
  7. Soloukey, S., et al. Towards high-resolution functional ultrasound (fUS) imaging of the murine spinal cord. IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). , 2259-2262 (2019).
  8. Stroman, P. W., et al. The current state-of-the-art of spinal cord imaging: Methods. Neuroimage. 84, 1070-1081 (2014).
  9. Del Giorno, R., Troiani, C., Gabutti, S., Stefanelli, K., Gabutti, L. Comparing oscillometric and tonometric methods to assess pulse wave velocity: A population-based study. Ann Med. 53 (1), 1-16 (2021).
  10. Bothe, T. L., et al. Impact of oscillometric measurement artefacts in ambulatory blood pressure monitoring on estimates of average blood pressure and of its variability: A pilot study. J Hypertens. 41 (1), 140-149 (2023).
  11. Alqudah, A. M., et al. Multiple time and spectral analysis techniques for comparing the photoplethysmography to piezoelectric plethysmography with electrocardiography. Med Hypotheses. 143, 109870(2020).
  12. Zieff, G., et al. Pulse-wave velocity assessments derived from a simple photoplethysmography device: Agreement with a reference device. Front Cardiovasc Med. 10, 1108219(2023).
  13. Vargas, M. I., Boto, J., Meling, T. R. Imaging of the spine and spinal cord: An overview of magnetic resonance imaging (MRI) techniques. Rev Neurol (Paris). 177 (5), 451-458 (2021).
  14. Shabani, S., Meyer, B. P., Budde, M. D., Wang, M. C. Diagnostic imaging in spinal cord injury. Neurosurg Clin N Am. 32 (3), 323-331 (2021).
  15. Faure, F., et al. Quantification of brain-wide vascular resistivity via ultrafast Doppler in human neonates helps early detection of white matter injury. J Cereb Blood Flow Metab. 44 (9), 1577-1590 (2024).
  16. Hu, C., Feng, Y., Huang, P., Jin, J. Adverse reactions after the use of SonoVue contrast agent: Characteristics and nursing care experience. Medicine. 98 (44), e17745(2019).
  17. Han, S. H. Review of photoacoustic imaging for imaging-guided spinal surgery. Neurospine. 15 (4), 306-322 (2018).
  18. Van Den Bos-Van De Steeg, M. G. M., Fekkes, S., Saris, A., De Korte, C. L., Hansen, H. H. G. In vivo comparison of pulse wave velocity estimation based on ultrafast plane wave imaging and high-frame-rate focused transmissions. Ultrasound Med Biol. 48 (11), 2335-2343 (2022).
  19. Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., Fink, M. Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 56 (3), 489-506 (2009).
  20. Mace, E., et al. Functional ultrasound imaging of the brain: Theory and basic principles. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 60 (3), 492-506 (2013).
  21. Bercoff, J., et al. Ultrafast compound Doppler imaging: Providing full blood flow characterization. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 58 (1), 134-147 (2011).
  22. Demené, C., et al. Ultrafast Doppler reveals the mapping of cerebral vascular resistivity in neonates. J Cereb Blood Flow Metab. 34 (6), 1009-1017 (2014).
  23. Bourquin, C., Poree, J., Lesage, F., Provost, J. In vivo pulsatility measurement of cerebral microcirculation in rodents using dynamic ultrasound localization microscopy. IEEE Trans Med Imaging. 41 (4), 782-792 (2022).
  24. Bourquin, C., et al. Quantitative pulsatility measurements using 3d dynamic ultrasound localization microscopy. Phys Med Biol. 69 (4), (2024).
  25. Zang, J. -Q., et al. Non-contrast-enhanced ultrafast ultrasound Doppler imaging of spinal cord micro-vessels. Acta Physica Sinica. 70 (11), (2021).
  26. Sui, Y., et al. Randomized spatial downsampling based robust PCA clutter filtering for ultrafast ultrasound imaging. IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS). , 1-4 (2021).
  27. Beliard, B., et al. Ultrafast Doppler imaging and ultrasound localization microscopy reveal the complexity of vascular rearrangement in chronic spinal lesions. Sci Rep. 12 (1), 6574(2022).
  28. Yu, J. -J., et al. Ultrafast ultrasound localization microscopy method for spinal cord mircovasculature imaging. Acta Physica Sinica. 71 (17), 174302(2022).
  29. Yu, J., Dong, H., Ta, D., Xie, R., Xu, K. Super-resolution ultrasound microvascular angiography for spinal cord penumbra imaging. Ultrasound Med Biol. 49 (9), 2140-2151 (2023).
  30. Yan, S., et al. Ultrafast ultrasound vector Doppler for small vasculature imaging. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 70 (7), 613-624 (2023).
  31. Agyeman, K. A., et al. Functional ultrasound imaging of the human spinal cord. Neuron. 112 (10), 1710-1722 (2024).
  32. Khaing, Z. Z., et al. Perfusion imaging metrics after acute traumatic spinal cord injury are associated with injury severity in rats and humans. Sci Transl Med. 16 (765), eadn4970(2024).
  33. Williams, H. A unifying hypothesis for hydrocephalus, Chiari malformation, syringomyelia, anencephaly, and spina bifida. Cerebrospinal Fluid Res. 5, 7(2008).
  34. Heiss, J. D. Cerebrospinal fluid hydrodynamics in Chiari I malformation and syringomyelia: Modeling pathophysiology. Neurosurg Clin N Am. 34 (1), 81-90 (2023).
  35. Pinna, G., Alessandrini, F., Alfieri, A., Rossi, M., Bricolo, A. Cerebrospinal fluid flow dynamics study in Chiari I malformation: Implications for syrinx formation. Neurosurg Focus. 8 (3), E3(2000).
  36. Da Cunha, B. L. B., et al. Intraoperative neuromonitoring in Chiari I malformation surgery: A systematic review and meta-analysis. Neurosurg Rev. 47 (1), 634(2024).
  37. Verhoef, L., et al. Freehand ultrafast Doppler ultrasound imaging with optical tracking allows for detailed 3d reconstruction of blood flow in the human brain. IEEE Trans Med Imaging. , (2025).
  38. Fakhari, N., et al. Longitudinal assessment of cerebral blood volume variation in human neonates using ultrafast power Doppler and diverging waves. IEEE Trans Med Imaging. 42 (8), 2223-2234 (2023).
  39. Huang, L., et al. Improved ultrafast power Doppler imaging by using spatiotemporal Non-Local means filtering. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 69 (5), 1610-1624 (2022).
  40. Lok, U. W., et al. Ultrasound microvessel imaging of the human placenta demonstrates altered vessel densities in fetal growth restriction with vascular and immune pathologies: A pilot case-control study. J Ultrasound Med. 44 (2), 285-299 (2025).
  41. Desailly, Y., et al. Contrast enhanced ultrasound by real-time spatiotemporal filtering of ultrafast images. Phys Med Biol. 62 (1), 31-42 (2017).
  42. Martinoli, C., et al. Power Doppler sonography: Clinical applications. Eur J Radiol. 27 Suppl2, S133-S140 (1998).
  43. Tanter, M., Fink, M. Ultrafast imaging in biomedical ultrasound. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 61 (1), 102-119 (2014).
  44. Bonow, R. H., Young, C. C., Bass, D. I., Moore, A., Levitt, M. R. Transcranial Doppler ultrasonography in neurological surgery and neurocritical care. Neurosurg Focus. 47 (6), E2(2019).
  45. Wagshul, M. E., et al. The pulsating brain: A review of experimental and clinical studies of intracranial pulsatility. Fluids Barriers CNS. 8 (1), 5(2011).
  46. Sun, Q., Fu, Y., Yan, S., Xu, K. 4-D vector Doppler imaging using row-column addressed array. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 72 (2), 202-214 (2025).
  47. Sun, Q., et al. Single crystal row-column array-based rat brain 3-D ultrasound localization microscopy. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 72 (6), 698-708 (2025).
  48. Posada, D., et al. Staggered multiple-prf ultrafast color Doppler. IEEE Trans Med Imaging. 35 (6), 1510-1521 (2016).
  49. Poree, J., et al. Dealiasing high-frame-rate color Doppler using dual-wavelength processing. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 68 (6), 2117-2128 (2021).
  50. Tuccio, G., Afrakhteh, S., Iacca, G., Demi, L. Time-efficient ultrasound localization microscopy based on a novel radial basis function 2d interpolation. IEEE Trans Med Imaging. 43 (5), 1690-1701 (2024).
  51. Afrakhteh, S., Mento, F., Demi, L. Application of tensor completion for reducing the beamforming time in ultrafast ultrasound imaging: A Doppler ultrasound assessment. IEEE Ultrason Ferroelectr Freq Control Joint Symp (UFFC-JS). , 1-4 (2024).
  52. Afrakhteh, S., Iacca, G., Demi, L. A two-dimensional angular interpolation based on radial basis functions for high frame rate ultrafast imaging. J Acoust Soc Am. 154 (5), 3454-3465 (2023).
  53. Denarie, B., et al. Coherent plane wave compounding for very high frame rate ultrasonography of rapidly moving targets. IEEE Transactions on Medical Imaging. 32 (7), 1265-1276 (2013).
  54. Poree, J., et al. High-frame-rate echocardiography using coherent compounding with Doppler-based motion-compensation. IEEE Trans Med Imaging. 35 (7), 1647-1657 (2016).
  55. Hingot, V., Errico, C., Tanter, M., Couture, O. Subwavelength motion-correction for ultrafast ultrasound localization microscopy. Ultrasonics. 77, 17-21 (2017).
  56. Harput, S., et al. Two-stage motion correction for super-resolution ultrasound imaging in the human lower limb. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. 65 (5), 803-814 (2018).
  57. Yu, J., Cai, Y., Zeng, Z., Xu, K. Voxelmorph-based deep learning motion correction for ultrasound localization microscopy of spinal cord. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control. , 1752-1764 (2024).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Monitoring van het ruggenmergintraoperatieve monitoringPower Doppler imaginghemodynamische beoordelingresistentie indexpulsatiliteits indexhemodynamiek van het ruggenmergmalformatie van Chiari
Video binnenkort beschikbaar
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.