Ilościowe mapowanie odkształceń tętniaka aorty brzusznej
Źródło: Hannah L. Cebull1, Arvin H. Soepriatna1, John J. Boyle2 i Craig J. Goergen1
1Szkoła Inżynierii Biomedycznej Weldona, Uniwersytet Purdue, West…
1. Zestaw ultrasonograficzny 4D
- Podczas korzystania z oprogramowania do obrazowania należy używać laptopa z oprogramowaniem do obliczeń matematycznych, aby zautomatyzować proces akwizycji 4D. Podłącz laptopa za pomocą tego niestandardowego kodu do systemu ultrasonograficznego przez port USB. Należy pamiętać, że oprogramowanie do obrazowania ma funkcję ultrasonografii 4D zintegrowaną z oprogramowaniem.
- Po włączeniu systemu ultrasonograficznego należy skonfigurować jednostkę monitorowania fizjologicznego, upewniając się jednocześnie, że przyciski tętna i temperatury są włączone. Zainicjuj stopień silnikowy 3D podłączony do uchwytu przetwornika.
- Do akwizycji obrazu należy użyć odpowiedniego stolika i głowicy ultradźwiękowej. Upewnij się, że wszystkie połączenia są wykonane.
- Przystąp do znieczulenia i przygotowania zwierzęcia do obrazowania. Dodaj maść okulistyczną do oczu, aby zapobiec wysuszeniu rogówki, przymocuj łapy do elektrod stage i włóż nasmarowaną sondę temperatury doodbytniczą. Usuń sierść w obszarze zainteresowania za pomocą kremu do depilacji.
- Upewnij się, że krem do depilacji został całkowicie usunięty. Następnie nałóż na zwierzę dużą ilość podgrzanego żelu do transdukcji ultradźwiękowej. Jest to szczególnie ważne, aby stworzyć dobre połączenie w całym obszarze zainteresowania dla obrazowania 4D.
2. Akwizycja ultrasonograficzna 4D
- Rozpocznij nowe badanie systemu ultrasonograficznego i otwórz okno obrazowania w trybie B (tryb jasności). Opuść przetwornik na zwierzę i zlokalizuj obszar zainteresowania za pomocą pokręteł osi x i y na stoliku, upewniając się, że częstość oddechów nie zmniejsza się znacząco. Monitoruj to u dołu ekranu.
- Umieść przetwornik w środku obszaru zainteresowania. Stamtąd należy w przybliżeniu określić odległość potrzebną do poruszania się przetwornika w górę i w dół, tak aby uwzględnić cały obszar zainteresowania.
- Wprowadź przybliżone wymiary do kodu oprogramowania komputerowego, w tym rozmiar kroku, który zwykle wynosi ~0,08 mm w przypadku obrazowania tętniaka aorty brzusznej. Rozpocznij uruchamianie kodu po upewnieniu się, że częstość akcji serca i oddechów zwierzęcia jest stabilna. Jest to ważne dla zmniejszenia liczby błędów podczas rekonstrukcji obrazów.
- Po zakończeniu akwizycji obrazu wyeksportuj dane jako surowe pliki XML.
3. Konwersja danych ultrasonograficznych 4D
- Wprowadź surowe pliki XML do oprogramowania, które może przekonwertować dane do odpowiedniego formatu do analizy plam 3D. Tutaj używamy Matlaba do konwersji plików XML na pliki MAT. Pełny skrypt Matlaba jest dostępny tutaj.
- Aby konwersja była prawidłowa, należy również wprowadzić liczbę klatek, rozmiar kroku i żądaną rozdzielczość wyjściową.
- Po ponownym próbkowaniu macierzy w płaszczyźnie przelotowej zaimportuj nowy plik MAT do kodu analizy odkształceń 3D.
4. 3D Analiza kodu szczepu
- Rozpocznij analizę od prawidłowego dostosowania zaimportowanego pliku MAT. Na przykład może być konieczne ponowne przeskalowanie głośności obrazu w celu skrócenia czasu obliczeń.
- Wprowadź region, który ma być analizowany, i określ odpowiedni szablon siatki, aby podzielić dane obrazu na segmenty jako proste pola lub ręcznie wybrane wielokąty. Rozmiar pól regionów i odstępy między punktami środkowymi mogą wymagać zmiany dla każdego zestawu danych. Optymalne liczby wybrane dla rozmiaru pola będą mniej więcej w kolejności pikseli śledzonego obiektu, którą można w przybliżeniu określić, patrząc na liczbę pikseli w dwóch wymiarach w jednym wycinku. Odstępy między skrzynkami określą rozdzielczość pól odkształceń. Więcej pól zwiększy rozdzielczość, ale może również znacznie wydłużyć czas obliczeń.
- Rozpocznij iteracyjne obliczanie jakobianów i gradientów w każdym z tych regionów. Po zakończeniu obliczeń wstępnych zastosuj funkcję wypaczania.
- Oblicz tensor gradientu deformacji. Najpierw oblicz odkształcenie, a następnie oblicz wartości własne i wektory własne za pomocą metody szacowania odkształceń bezpośrednich.
- Wykreśl te wyniki na żądanych płaszczyznach przy użyciu techniki, takiej jak mapowanie kolorów płaszczyzny cięcia, aby przedstawić pole odkształcenia w obszarze zainteresowania.
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Trójwymiarowe obrazowanie odkształceń służy do oszacowania deformacji tkanek miękkich w czasie i zrozumienia choroby. Mechaniczne zachowanie tkanek miękkich, takich jak skóra, naczynia krwionośne, ścięgna i inne narządy, jest silnie uzależnione od ich składu zewnątrzkomórkowego, który może ulec zmianie w wyniku starzenia się i choroby. W złożonych tkankach biologicznych ważne jest scharakteryzowanie tych zmian, które mogą znacząco wpływać na właściwości mechaniczne i funkcjonalne narządu.
Ilościowe mapowanie odkształceń wykorzystuje wolumetryczne dane obrazowe i metodę bezpośredniego szacowania odkształceń do obliczania przestrzennie zmieniających się trójwymiarowych pól odkształceń. Ten film zilustruje zasady mapowania odkształceń, pokaże, w jaki sposób ilościowe mapowanie odkształceń jest wykorzystywane do szacowania pól odkształceń w złożonych tkankach biologicznych oraz omówi inne zastosowania.
Na tkanki biologiczne duży wpływ ma skład i orientacja elastyny i kolagenu. Białko elastyna jest wysoce elastycznym składnikiem tkanek, które nieustannie się rozciągają i kurczą, takich jak naczynia krwionośne i płuca. Kolagen jest najobficiej występującym białkiem w organizmie i składa się z pojedynczych polimerów potrójnej helisy, które są zwinięte w większe włókna, które zapewniają integralność strukturalną tkanek od skóry po kości.
Orientacja tych białek waha się od wyrównanych włókien do włóknistych sieci siatkowych, co wpływa na właściwości mechaniczne tkanki. Obciążenie jest miarą względnej deformacji tkanek miękkich w czasie i może być używane do wizualizacji urazów i chorób. Jest on opisany i odwzorowany za pomocą szacunków matematycznych.
Do mapowania naprężeń w złożonych narządach, takich jak serce, można wykorzystać czterowymiarowe dane ultrasonograficzne, które dostarczają informacji o wysokiej rozdzielczości, przestrzennych i czasowych. Następnie do danych stosuje się metodę szacowania odkształceń bezpośrednich (DDE). Kod służy do oszacowania deformacji 3D i odpowiadających jej odkształceń Greena-Lagrange'a przy użyciu następującego równania.
Tensor odkształcenia Greena-Lagrange'a zależy od tensora gradientu deformacji i tensora tożsamości drugiego rzędu. Tensory gradientu deformacji są tradycyjnie szacowane na podstawie pól przemieszczeń. W metodzie DDE funkcja wypaczania jest optymalizowana tak, aby była bezpośrednio analogiczna do tensora odkształcenia. Funkcja wypaczania zależy zarówno od położenia przestrzennego, jak i parametru wypaczania. Obliczanie odkształcenia jest bezpośrednio włączane do funkcji wypaczania. Pierwsze dziewięć elementów reprezentuje tensor gradientu odkształcenia.
Metoda ta służy do szacowania zarówno dużych, jak i miejscowych deformacji w tkankach miękkich. Teraz, gdy rozumiemy zasady mapowania odkształceń, zobaczmy teraz, jak wykonuje się mapowanie odkształceń w celu wykrycia tętniaków aorty u myszy.
Aby rozpocząć konfigurację, otwórz oprogramowanie Vivo 2100 i podłącz laptopa do systemu ultrasonograficznego. Upewnij się, że jednostka monitorowania fizjologicznego jest włączona, aby mierzyć tętno i temperaturę. Następnie zainicjuj stopień motoryczny 3D.
Zainstaluj przetwornik ultradźwiękowy i upewnij się, że wszystkie prawidłowe połączenia są wykonane. Następnie znieczulij zwierzę, które będzie obrazowane, za pomocą 3% izofluranu w komorze do wybijania. Gdy mysz zostanie znieczulona, przenieś ją do podgrzanego etapu i zabezpiecz stożek nosowy, aby dostarczyć 1-2% izofluranu. Nałóż maść okulistyczną na oczy i przymocuj łapy do elektrod stage, aby monitorować oddech i tętno zwierzęcia. Następnie włóż sondę temperatury doodbytniczą. Nałóż krem do depilacji, aby usunąć włosy z obszaru zainteresowania, a następnie nałóż dużą ilość ciepłego żelu ultradźwiękowego na depilowany obszar.
Aby rozpocząć akwizycję obrazu, najpierw otwórz okno obrazowania i wybierz tryb B. Następnie opuść przetwornik na zwierzę i użyj pokręteł osi x i y na stoliku, aby zlokalizować obszar zainteresowania. Monitoruj częstość oddechów, aby upewnić się, że nie zmniejsza się znacząco. Umieść przetwornik w środku obszaru zainteresowania. Następnie należy w przybliżeniu określić odległość wymaganą do pokrycia całego obszaru zainteresowania.
Wprowadź te wymiary w kodzie MATLAB i wybierz rozmiar kroku 0,08 milimetra. Upewnij się, że częstość akcji serca i oddechów zwierzęcia jest stabilna, a następnie uruchom kod MATLAB.
Po pobraniu obrazu wyeksportuj dane jako surowe pliki XML i przekonwertuj je na pliki MAT. Upewnij się, że wprowadzasz liczbę klatek, rozmiar kroku i rozdzielczość wyjściową. Następnie należy ponownie pobrać próbkę matrycy w płaszczyźnie przelotowej.
Zaimportuj nowy plik MAT do kodu analizy odkształceń 3D. Może być konieczne ponowne przeskalowanie pliku w celu skrócenia czasu obliczeń. Następnie wprowadź region, który ma być analizowany. Proszę przybliżyć liczbę pikseli w dwuwymiarowym wycinku śledzonego elementu i wybrać szablon siatki jako prosty blok lub ręcznie wybrane wielokąty. Wybierz optymalny numer piksela dla rozmiaru siatki. Oblicz jakobiany i gradienty. Powtórz te czynności dla każdego regionu. Następnie zastosuj funkcję wypaczania.
Następnie, korzystając z odkształceń kartezjańskich obliczonych z DDE, wyznacz wartości własne i wektory własne deformacji. Następnie wybierz wycinki, dla których chcesz wykreślić wartości odkształceń, przewijając widoki długiej osi, osi sortowania i osi koronalnej.
Naciśnij przycisk Wybierz kolektor do analizy. Następnie użyj kursora, aby umieścić znaczniki wzdłuż ściany aorty, w tym skrzepliny, tętniaka i zdrowych części aorty. Powtórz te czynności dla wszystkich widoków. Na koniec użyj mapowania kolorów, aby wykreślić wyniki pola odkształcenia w obszarze zainteresowania.
Przyjrzyjmy się bliżej przykładowi indukowanego angiotensyną II nadnerczowego tętniaka aorty brzusznej nabytego od myszy. Po pierwsze, uzyskuje się wiele kilohercowych pętli wizualizacyjnych EKG z bramką EKG o określonej wielkości kroku wzdłuż aorty i łączy się w celu utworzenia danych 4D.
Po wykonaniu obliczeń odkształcenia 3D przy użyciu zoptymalizowanej funkcji wypaczania, uzyskuje się wykres wizualizacji 3D wycinka aorty podnerkowej. Mapa kolorów głównego zielonego szczepu jest nakładana w celu podkreślenia obszarów niejednorodnego odkształcenia ściany aorty. Ponadto widoki długich i krótkich osi ujawniają niejednorodne różnice przestrzenne w odkształceniu, szczególnie gdy obecna jest skrzeplina.
Odpowiednie wykresy odkształceń wykazują wyższe wartości odkształcenia w zdrowych obszarach aorty na osi długiej, podczas gdy obszar tętniaka wykazuje zmniejszone odkształcenie na osi krótkiej.
Dokładna ilościowa wizualizacja odkształceń przy użyciu bezpośredniego szacowania odkształceń jest użytecznym narzędziem wykorzystywanym w różnych zastosowaniach biomedycznych.
Na przykład obciążenie serca można określić ilościowo. Podczas cyklu pracy serca mięsień sercowy ulega deformacji 3D. Kwantyfikacja odkształcenia w trzech wymiarach jest integralną częścią wiarygodnego scharakteryzowania dynamiki tej tkanki w czasie. Jest to przydatne w śledzeniu postępu choroby w modelach zwierzęcych.
Innym zastosowaniem jest charakterystyka tkanki jelitowej. Obrazowanie jelit in vivo jest trudne ze względu na wpływ otaczających struktur. Jednak obliczanie obciążenia na podstawie obrazów zwłóknienia jelit może być szczególnie przydatne do wczesnego wykrywania problematycznych obszarów, które wymagają interwencji chirurgicznej.
Na znacznie mniejszą skalę ta metoda DDE jest również stosowana na poziomie komórkowym przy użyciu technik obrazowania o wyższej rozdzielczości, takich jak mikroskopia konfokalna. Służy na przykład w charakterystyce macierzy zewnątrzkomórkowej, aby zrozumieć, w jaki sposób komórki komunikują się pod wpływem zmian mechanicznych.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do ilościowej wizualizacji szczepów. Powinieneś teraz zrozumieć, jak mierzyć trójwymiarowy szczep w tkankach biologicznych i jak jest on wykorzystywany we wczesnym wykrywaniu chorób. Dzięki za oglądanie!
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.