Kwantitatieve spanningskartering van een abdominaal aortisch aneurysma
Bron: Hannah L. Cebull1, Arvin H. Soepriatna1, John J. Boyle2 en Craig J. Goergen1
1Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West L…
1. 4D Ultrasound Set-up
- Gebruik bij het gebruik van de beeldvormingssoftware een laptop die wiskundige computing software kan draaien om het 4D-acquisitieproces te automatiseren. Verbind de laptop met deze aangepaste code met het ultrasone systeem via de USB-poort. Merk op dat de beeldvormingssoftware een 4D-ultrasone functie heeft die in de software is geïntegreerd.
- Na het inschakelen van het ultrasone systeem, stel de fysiologische bewakingseenheid in en zorg ervoor dat de knoppen voor hartslag en temperatuur aan staan. Initialiseer de 3D-motorfase die aan de transducerhouder is bevestigd.
- Gebruik de juiste fase en ultrasone transducer voor beeldacquisitie. Zorg ervoor dat alle juiste verbindingen zijn gemaakt.
- Behandel en bereid het dier voor op beeldvorming. Voeg oogzalf toe aan de ogen om corneadroging te voorkomen, zet de poten vast aan de fase-elektroden en plaats een gesmeerde rectale temperatuursonde. Verwijder het haar in het gebied van belang met behulp van een ontharingscreme.
- Zorg ervoor dat de ontharingscreme volledig is verwijderd. Breng vervolgens een royale hoeveelheid van de verwarmde ultrasone transducer-gel aan op het dier. Dit is vooral belangrijk om een goede verbinding te creëren over het hele gebied van belang voor 4D-beeldvorming.
2. 4D Ultrasound Acquisitie
- Begin een nieuwe studie op het ultrasone systeem en open het beeldvormingsvenster in B-Modus (helderheidsmodus). Laat de transducer op het dier zakken en lokaliseer het gebied van belang met behulp van de x- en y-as knoppen op de fase, zorg ervoor dat de ademhalingssnelheid niet substantieel daalt. Bewaak dit onderaan het scherm.
- Plaats de transducer in het midden van het gebied van belang. Vanaf daar, benadert de afstand die nodig is voor de transducer om op en neer te bewegen, zodat het hele gebied van belang is opgenomen.
- Voer de geschatte afmetingen in de computing software code in, inclusief een stapgrootte die typisch ~0.08 mm is voor abdominale aorta-aneurysma beeldvorming. Begin met het uitvoeren van de code na controle van de stabiele hart- en ademhalingssnelheid van het dier. Dit is belangrijk om fouten bij het reconstrueren van beelden te verminderen.
- Na het voltooien van de beeldacquisitie, exporteer de gegevens als ruwe XML-bestanden.
3. 4D Ultrasound Data Conversie
- Voer de ruwe XML-bestanden in in software die de gegevens kan omzetten in het juiste formaat voor de 3D-spanningsanalyse. Hier gebruiken we Matlab om XML-bestanden om te zetten in MAT-bestanden. Het volledige Matlab-script is hier beschikbaar.
- Voor een juiste conversie moeten ook het aantal frames, de stapgrootte en de gewenste uitvoerresolutie worden ingevoerd.
- Na het herbemonsteren van de matrix in de vlakdoorsnede, importeer het nieuwe MAT-bestand in de 3D-spanningsanalysecode.
4. 3D Spanningscode Analyse
- Begin met analyse door het geïmporteerde MAT-bestand correct aan te passen. Bijvoorbeeld, het beeldvolume moet mogelijk opnieuw worden geschaald om de berekeningstijd te verkorten.
- Voer het te analyseren gebied in en bepaal de geschikte mesh-sjabloon om de beeldgegevens te segmenteren als eenvoudige dozen of handmatig gekozen veelhoeken. De doosgrootte van de regio's en de afstand tussen de middelpunten moeten voor elke dataset worden aangepast. De optimale getallen die voor doosgrootte zijn gekozen, zullen in de orde van grootte van de pixels van het te volgen kenmerk zijn, wat kan worden benaderd door het aantal pixels in twee dimensies in één snede te bekijken. De afstand van de dozen bepaalt de resolutie van de spanningsvelden. Meer dozen verhogen de resolutie, maar kunnen ook de berekeningstijd aanzienlijk verhogen.
- Begin met het iterativ berekenen van de Jacobians en gradiënten binnen elk van deze regio's. Nadat de voorberekening is voltooid, pas de vervormingsfunctie toe.
- Bereken de vervormingsgradiënttensor. Bereken eerst de spanning en bereken vervolgens de eigenwaarden en eigenvectoren met behulp van de directe vervormingsschattingsmethode.
- Plot deze resultaten in de gewenste vlakken met behulp van een techniek zoals kleurenmapping van een doorsnede om het spanningsveld over uw gebied van belang te vertegenwoordigen.
Driedimensionaal spanningsafbeeldingen worden gebruikt om de vervorming van zachte weefsels in de tijd te schatten en ziekten te begrijpen. Het mechanische gedrag van zachte weefsels, zoals huid, bloedvaten, pezen en andere organen, wordt sterk beïnvloed door hun extracellulaire samenstelling, die kan veranderen door veroudering en ziekte. Binnen complexe biologische weefsels is het belangrijk om deze veranderingen te karakteriseren, die de mechanische en functionele eigenschappen van een orgaan aanzienlijk kunnen beïnvloeden.
Kwantitatieve spanningskaartgebruik maakt van volumetrische beeldgegevens en een directe vervormingsschattingsmethode om de ruimtelijk variërende driedimensionale spanningsvelden te berekenen. Deze video zal de principes van spanningskaartgebruik illustreren, demonstreren hoe kwantitatief spanningskaartgebruik wordt gebruikt om spanningsvelden in complexe biologische weefsels te schatten en andere toepassingen bespreken.
Biologische weefsels worden sterk beïnvloed door de samenstelling en oriëntatie van elastine en collageen. Het eiwit elastine is een zeer elastische component van weefsels die voortdurend uitrekken en samentrekken, zoals bloedvaten en de longen. Collageen is het meest voorkomende eiwit in het lichaam en wordt samengesteld uit individuele drie-helixpolymeren die worden gebundeld in grotere vezels die structurele integriteit bieden aan weefsels, variërend van huid tot botten.
De oriëntatie van deze eiwitten varieert van uitgelijnde vezels tot vezelige netwerken, wat de mechanische eigenschappen van het weefsel beïnvloedt. Spanning is een maat voor de relatieve vervorming van zachte weefsels in de tijd en kan worden gebruikt om letsels en ziekten te visualiseren. Het wordt beschreven en in kaart gebracht met behulp van wiskundige schattingen.
Om spanning in complexe organen, zoals het hart, in kaart te brengen, kunnen vierdimensionale echografiegegevens, die hoge resolutie, ruimtelijke en temporele informatie bieden, worden gebruikt. Vervolgens wordt de methode voor directe vervormingsschatting of DDE toegepast op de gegevens. Een code wordt gebruikt om de 3D-vervorming en bijbehorende Green-Lagrange-spanningen te schatten met behulp van de volgende vergelijking.
De Green-Lagrange-spanningstensor is afhankelijk van de vervormingsgradiënttensor en de tweede orde identiteitstensor. Vervormingsgradiënttensoren worden traditioneel geschat op basis van verplaatsingsvelden. In de DDE-methode wordt een warpingfunctie geoptimaliseerd om direct analoog te zijn aan de vervormingstensor. De warpingfunctie is afhankelijk van zowel de ruimtelijke positie als de warping-parameter. De berekening van vervorming is direct ingebouwd in de warpingfunctie. De eerste negen elementen vertegenwoordigen de vervormingsgradiënttensor.
Deze methode wordt gebruikt om zowel grote als lokale vervormingen in zachte weefsels te schatten. Nu we de principes van spanningskaartgebruik begrijpen, laten we nu zien hoe spanningskaartgebruik wordt uitgevoerd om aorta-aneurysmata bij muizen te detecteren.
Om de setup te beginnen, opent u de Vivo 2100-software en sluit u de laptop aan op het echografiesysteem. Zorg ervoor dat de fysiologische bewakingseenheid is ingeschakeld om de hartslag en temperatuur te meten. Initialiseer vervolgens de 3D-motorfase.
Installeer de echografiesensor en zorg ervoor dat alle juiste verbindingen zijn gemaakt. Vervolgens wordt het dier dat wordt afgebeeld geanesthetiseerd met behulp van 3% isofluraangebruik in een knock-downkamer. Zodra de muis is geanesthetiseerd, verplaatst u deze naar de verwarmde fase en bevestigt u een neuskoker om 1-2% isofluraangebruik te leveren. Breng oogzalf aan op de ogen en bevestig de poten aan de fase-elektroden om de ademhaling en hartslag van het dier te bewaken. Plaats vervolgens een rectale temperatuursonde. Breng ontharingscreme aan om haar uit het gebied van belang te verwijderen en breng vervolgens een royale hoeveelheid warme echografiegel aan op het onthaarde gebied.
Om de beeldacquisitie te starten, opent u eerst het beeldvormingsvenster en selecteert u B-modus. Plaats vervolgens de sensor op het dier en gebruik de x- en y-asknoppen op de fase om het gebied van belang te lokaliseren. Bewaak de ademhalingssnelheid om ervoor te zorgen dat deze niet aanzienlijk afneemt. Plaats de sensor in het midden van het gebied van belang. Bepaal vervolgens de afstand die vereist is om het hele gebied van belang te bedekken.
Voer deze afmetingen in de MATLAB-code in en kies een stapgrootte van 0,08 millimeter. Zorg ervoor dat de hartslag en ademhaling van het dier stabiel zijn, en voer vervolgens de MATLAB-code uit.
Na beeldacquisitie exporteert u de gegevens als ruwe XML-bestanden en converteert u ze naar MAT-bestanden. Zorg ervoor dat u het aantal frames, de stapgrootte en de uitvoerbeeldkwaliteit invoert. Neem vervolgens de matrix opnieuw door het vlak.
Importeer het nieuwe MAT-bestand in de 3D-spanningsanalysecode. Het kan nodig zijn om het bestand opnieuw te schalen om de berekeningstijd te verkorten. Voer vervolgens het te analyseren gebied in. Bepaal het aantal pixels in een tweedimensionale schijf van het bijgesneden kenmerk en selecteer het mesh-sjabloon als een eenvoudige doos of handmatig gekozen polygonen. Kies het optimale aantal pixels voor de meshgrootte. Bereken de Jacobians en de gradiënten. Herhaal dit voor elk gebied. Pas vervolgens de warpingfunctie toe.
Gebruik vervolgens cartesische vervormingen berekend uit DDE om de eigenwaarden en eigenvectoren van de vervorming te bepalen. Selecteer vervolgens de schijven waarvoor u spanningswaarden wilt plotten door te scrollen door de lange as-, sorteeras- en coronale asweergaven.
Druk op Selecteer Manifold voor analyse. Gebruik vervolgens de cursor om markers langs de aortawand te plaatsen, inclusief de trombus, het aneurysma en de gezonde delen van de aorta. Herhaal dit voor alle weergaven. Gebruik ten slotte kleurenmapping om de resultaten van het spanningsveld over het gebied van belang weer te geven.
Laten we eens een goede blik werpen op het voorbeeld van een door angiotensine II geïnduceerde suprarenale dissecterende abdominale aorta-aneurysma verkregen van een muis. Eerst worden meerde
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.