Blood Flow Imaging met Ultrafast Doppler
14 oktober 2020
Dit protocol laat zien hoe u ultrasnelle echografie Doppler-beeldvorming toepast om bloedstromen te kwantificeren. Na een lange aanwinst van 1 s heeft de experimenteerder toegang tot een film van het volledige gezichtsveld met axiale snelheidswaarden voor elke pixel elke ≈0,3 ms (afhankelijk van de ultrasone tijd van de vlucht).
De kwantitatieve evaluatie van bloedstroom door middel van echografie is een uiterst nuttige parameter in de geneeskunde voor de beoordeling van vele organen. Ultrasnel Doppler-echografie biedt speciale temporele coherentie en vergemakkelijkt een verhoogde gevoeligheid voor het meten van kleine bloedstroomsnelheden. Toegang tot microperfusie opent de deur naar een nauwkeuriger begrip van de perfusie van tumoren of organen, zoals de hersenen of het hart.
Om de Doppler Phantom op te zetten, gebruikt u eerst plastic buizen om de peristaltiekpomp, het reservoir met bloednabootsende vloeistof, de pulsdemper en de Doppler-strooms Phantom met elkaar te verbinden. Selecteer het kanaal met een diameter van vier millimeter en programmeer de pomp om 720 milliliter vloeistof per minuut gedurende 0,3 seconden te verdrijven, gevolgd door 0,7 seconden van verdrijving op 50 milliliter per minuut om respectievelijk de systolische en diastolische hartfasen na te bootsen. Draai vervolgens de pomp en schud de buizen voorzichtig om eventuele luchtbellen te verdrijven.
Om de ultrasnelle echografiescanner op te zetten, gebruikt u de PCI Express-verbinding om de ultrasnelle onderzoeksscanner aan te sluiten op de hostcomputer en verandert u de transduceradapter op de scanner om deze af te stemmen op de sondeconnector. Sluit de sonde aan en voer MATLAB uit om de echografiescannerlicentie te activeren. Om het echografiesequentieprogramma in te stellen, stelt u de beelddiepte in op 50 millimeter en de focusdiepte op 35 millimeter.
Om een ultrasnelle echografiesequentie te ontwerpen, stelt u de beelddiepte in op 50 millimeter, programmeert u drie gekantelde vlakgolven op min drie, nul en drie graden en stelt u de pulsrepetitiefrequentie in op 12 kilohertz. Selecteer vervolgens vier halve cycli voor de ultrasone golfvorm, met de centrumfrequentie ingesteld volgens de gebruikte sonde, en stelt u de totale duur in op één seconde. Wanneer de sequentieparameters zijn ingesteld, brengt u echografiegel aan op de lens van de sonde en plaatst u de sonde op de Phantom.
Start de B-modus echografiesequentie en lokaliseer het kanaal van belang. De vloeistof zal donkerder lijken dan het omringende weefsel. Schakel over naar de longitudinale weergave.
Zonder de positie van de sonde te veranderen, beëindigt u de B-modussequentie en start u het ultrasnelle sequentie-acquisitiescript. Wanneer de sequentie voorbij is, slaat u de ruwe gegevens op en gebruikt u de standaardsoftware van het echografiesysteem om het beeldconstructiescript te starten. Voor clutter-filtering, gebruikt u het MATLAB-script om de 3D IQ-matrix om te vormen tot een 2D Casorati-matrix.
Gebruik vervolgens de formule om de singuliere waardecompositie van de matrix te berekenen, en gebruik de ruimtelijke singuliere vectoren om de ruimtelijke gelijkenismatrix C te berekenen en om de grenzen van de bloedruimte te identificeren. Gebruik de bloedruimte-grenswaarde om de IQ-gegevens te filteren. Om de power Doppler-kaart te berekenen, gebruikt u de formule om de envelop van de filtergegevens langs de tijdsdimensie te integreren en toont u de power Doppler-kaart weer op een logaritmische schaal.
Definieer een cirkelvormig gebied van belang dat één tot 30 pixels in het beeld bevat, en berekent u het gemiddelde filtergegevenssignaal over de pixels binnen het gebied van belang om een vector te verkrijgen voor de filtergegevens van het relevante aantal experimentele tijdstippen. Om het Doppler-spectrogram van deze gegevens te berekenen en weer te geven, stelt u het venster voor de korte-tijd Fourier-transformatie in op een Hann-venster van 60 steekproeven en stelt u de overlapping van de korte-tijd Fourier-transformatie in op 90% van de vensterlengte. Vervolgens geeft u de centrumfrequentie op elk tijdstip van het spectrogram weer en gebruikt u de Doppler-formule om de frequentiewaarden om te zetten in axiale bloedsnelheden.
Als een spectrogram van goede kwaliteit is verkregen, kunnen de bloedsnelheden uit elk gebied van belang binnen het beeld worden geëxtraheerd. In dit beeld van een neonatale hersenen kunnen acquisitievaten met zeer verschillende stroomskenmerken worden waargenomen, van kleine corticale venulen en slagaders tot de belangrijkste pericallosalarterie. Hier wordt de mogelijkheid van ultrasnelle Doppler om een bloedstroomsignaal te extraheren in een sterk bewegend orgaan zoals het myocardium getoond.
Hoewel we het gebruik van singuliere waardecompositie hebben aangetoond, kunnen ook andere soorten filters worden gebruikt. De ultrasnelle Doppler stelt ons in staat om de microperfusie beter te begrijpen. Het is een echte revolutie in medische beeldvorming.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol demonstreert de toepassing van ultrafast ultrasound Doppler-imaging voor het kwantificeren van bloedstromen. De techniek maakt het mogelijk om een film te genereren die het volledige gezichtsveld weergeeft met axiale sneligkeitswaarden voor elke pixel met intervallen van ongeveer 0,3 ms.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Ultrasone beeldvorming
- Bloedstroommeting
- Medische diagnostiek
Achtergrond
- Ultrafast Doppler-echografie verhoogt de gevoeligheid voor kleine bloedstroomsnelheden.
- Deze methode is essentieel voor het beoordelen van de perfusie in organen zoals de hersenen en het hart.
- Kwantitatieve evaluatie van de bloedstroom is van vitaal belang bij medische diagnostiek.
- Inzicht in microperfusie kan leiden tot betere inzichten in tumor- en orgaanperfusie.
Doel van de studie
- Om de bloedstroom te kwantificeren met behulp van ultrafast ultrasound Doppler-imaging.
- Om het begrip van de perfusiedynamiek in verschillende organen te verbeteren.
- Om een betrouwbare methode vast te stellen voor het simuleren van hartfasen in een Doppler-fantoomopstelling.
Gebruikte methoden
- Opstelling van een Doppler-fantoom met behulp van plastic buizen en een peristaltische pomp.
- Gebruik van bloednabootsende vloeistof om de bloedstroom te simuleren.
- Programmeren van de pomp voor specifieke ejectiesnelheden om hartcycli na te bootsen.
- Bedienen van de pomp terwijl wordt toegezien op de verwijdering van luchtbellen uit het systeem.
Belangrijkste resultaten
- Toegang tot een film met een volledig gezichtsveld en gedetailleerde axiale snelheidsgegevens.
- Demonstratie van het vermogen om bloedstroomdynamiek nauwkeurig te meten.
- Validatie van de Doppler-fantoomopstelling voor het simuleren van fysiologische omstandigheden.
- Verbeterd inzicht in bloedstroomkenmerken in verschillende scenario's.
Conclusies
- Ultrafast ultrasound Doppler-imaging is effectief voor het kwantificeren van de bloedstroom.
- De methode biedt waardevolle inzichten in orgaanperfusie en tumordynamiek.
- Toekomstige toepassingen kunnen de diagnostische mogelijkheden in klinische settings verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor executives
Ultrafast Doppler-echografie maakt bloedstroommapping met een hoge resolutie mogelijk met een verhoogde gevoeligheid voor perfusie bij lage snelheden, wat bijdraagt aan mechanische risicoreductie bij de validatie van cardiovasculaire en oncologische targets. De techniek levert kwantitatieve, ruimtelijk continue hemodynamische gegevens die het voorspellende vertrouwen in preklinische modellen van orgaanperfusie en tumorangiogenese verbeteren. Deze mogelijkheid ondersteunt vroege ontdekkingen door hemodynamische fenotypes te verduidelijken en biologische ambiguïteit in workflows voor de identificatie van lead-candidates te verminderen.
Strategische toepassingen in BioPharma R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om hemodynamische fenotypes in ziektemodellen te onderzoeken om therapeutische hypothesen te verhelderen.
- Operationele waarde: Levert kwantitatieve bloedstroommetrieken voor functionele validatie van targets in perfusie-afhankelijke pathways.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt portfolio-triage door mechanistische ambiguïteit in hemodynamische drugseffecten te verminderen.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Levert ruimtelijk opgeloste snelheidsmetingen op pixelniveau voor betrouwbare screening van verbindingen in vasculaire modellen.
- Operationele waarde: Biedt reproduceerbare beeldvorming met een hoge framerate voor gestandaardiseerde assay-gereedheid in microfluïdische systemen of fantom-systemen.
- Schaalbaarheid: Faciliteert hergebruik van het platform in verschillende discovery-fasen dankzij consistente hemodynamische read-outs.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele Continuïteit: Verbindt hemodynamische profilering in de ontdekkingsfase met preklinische validatie in orgaanspecifieke perfusiemodellen.
- Risico-gecorrigeerde Voortgang: Maakt datagedreven go/no-go-beslissingen mogelijk op basis van microperfusiewijzigingen in hart-, neurale- of tumorweefsels.
- Afstemming van Biomarkers: Ondersteunt de identificatie van perfusiegerelateerde translationele biomarkers wanneer deze worden gecorreleerd met functionele resultaten.
Pipeline- & Workflow-integratie
De methode integreert in de vroege ontdekkingsfase via lead-identificatie door hemodynamische fenotypering te bieden, wat bijdraagt aan de betrouwbaarheid van het target en het ontwerp van de assay.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing via kwantitatieve bloedstroommapping in ziekte-relevante systemen.
- Screening: Verbetert de assay-gereedheid door reproduceerbare snelheidsmetingen met een hoge temporele resolutie.
- Analytics: Levert axiale snelheid en power Doppler-outputs die vergelijkende conditieanalyses mogelijk maken.
- Translationeel onderzoek: Sluit aan op preklinisch werk via perfusiedynamiek in cardiale, cerebrale en renale modellen.
- Enterprise-hergebruik: Fungeert als een herbruikbaar instrument voor hemodynamische profilering over meerdere ontdekkingsprojecten heen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt de gevoeligheid voor bloedstroom met een lage snelheid, waardoor de detectie van veranderingen in microperfusie wordt verbeterd.
- Operationele waarde: Maakt gelijktijdige lokalisatie en kwantificering van de bloedstroom mogelijk zonder concessies.
- Strategische waarde: Vermindert het biologische risico in een laat stadium door hemodynamische mechanismen in een vroeg stadium te verhelderen.
- Impact op portfolio: Informeert de risico-gecorrigeerde prioritering via kwantitatieve perfusiegegevens in preklinische modellen.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in echografische fysica en Doppler-signaalverwerking.
- Vereist programmeerbare echografie-systemen die in staat zijn tot ultrafast plane wave transmissie.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor een consistente phantom-opstelling en data-analyse.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij de vertaling van phantom- naar in vivo-modellen.
- Afhankelijk van correcte clutter-filteringstechnieken (bijv. SVD-gebaseerd) om bloedstroomsignalen te isoleren.
Biopharma Veelgestelde Vragen
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
