Obrazowanie przepływu krwi za pomocą ultraszybkiego Dopplera
14 października 2020
Ten protokół pokazuje, jak zastosować ultraszybkie obrazowanie dopplerowskie ultrasonograficzne do ilościowego określenia przepływów krwi. Po akwizycji trwającej 1 s eksperymentator ma dostęp do filmu z pełnym polem widzenia z wartościami prędkości osiowej dla każdego piksela co ≈0,3 ms (w zależności od czasu lotu ultradźwięków).
Ilościowa ocena przepływu krwi za pomocą ultradźwięków jest niezwykle przydatnym parametrem w medycynie do oceny wielu narządów. Ultraszybkie ultrasonografie dopplerowskie zapewniają szczególną spójność czasową i ułatwiają zwiększoną czułość pomiaru małych prędkości przepływu krwi. Dostęp do mikroperfuzji otwiera drzwi do dokładniejszego zrozumienia perfuzji guzów lub narządów, takich jak mózg czy serce.
Aby skonfigurować fantom dopplerowski, najpierw użyj plastikowych rurek do połączenia pompy perystaltycznej, zbiornika płynu naśladującego krew, tłumika impulsów i fantomu przepływu dopplerowskiego. Wybierz kanał o średnicy czterech milimetrów i zaprogramuj pompę tak, aby wyrzucała 720 mililitrów płynu na minutę przez 0,3 sekundy, a następnie 0,7 sekundy wyrzucania z prędkością 50 mililitrów na minutę, aby naśladować odpowiednio skurczową i rozkurczową fazę serca. Następnie uruchom pompę i delikatnie potrząśnij rurami, aby usunąć potencjalne pęcherzyki powietrza.
Aby skonfigurować ultraszybki skaner ultradźwiękowy, użyj łącza PCI Express, aby podłączyć ultraszybki skaner badawczy do komputera hosta i zmień adapter przetwornika w skanerze, aby pasował do złącza sondy. Podłącz sondę i uruchom MATLAB, aby aktywować licencję na skaner ultradźwiękowy. Aby skonfigurować program sekwencji ultrasonograficznej, ustaw głębokość obrazowania na 50 milimetrów, a głębokość ogniskowej na 35 milimetrów.
Aby zaprojektować ultraszybką sekwencję ultradźwiękową, ustaw głębokość obrazowania na 50 milimetrów, zaprogramuj trzy nachylone fale płaskie pod kątem minus trzy, zero i trzy stopnie oraz ustaw częstotliwość powtarzania impulsów na 12 kiloherców. Następnie wybierz cztery półcykle dla kształtu fali ultradźwiękowej, z częstotliwością środkową ustawioną zgodnie z używaną sondą i ustaw całkowity czas trwania na jedną sekundę. Po ustawieniu parametrów sekwencji nałóż żel ultradźwiękowy na soczewkę sondy i umieść sondę na fantomie.
Uruchom sekwencję ultrasonograficzną w trybie B i zlokalizuj interesujący Cię kanał. Płyn będzie wydawał się ciemniejszy niż otaczająca tkanka. Przełącz na widok wzdłużny.
Nie zmieniając położenia sondy, zakończ sekwencję w trybie B i uruchom ultraszybki skrypt akwizycji sekwencji. Po zakończeniu sekwencji zapisz nieprzetworzone dane i użyj domyślnego oprogramowania systemu ultrasonograficznego, aby uruchomić skrypt budowy zobrazowania. W przypadku filtrowania bałaganu użyj skryptu MATLAB, aby przekształcić macierz IQ 3D w macierz Casorati 2D.
Następnie użyj wzoru, aby obliczyć dekompozycję wartości osobliwych macierzy i użyj przestrzennych wektorów osobliwych do obliczenia macierzy podobieństwa przestrzennego C i zidentyfikowania granic podprzestrzeni krwi. Użyj granicy granicy przestrzeni krwi, aby przefiltrować dane IQ. Aby obliczyć mapę dopplerowską potęgi, należy użyć wzoru, aby zintegrować obwiednię danych filtru wzdłuż wymiaru czasowego i wyświetlić mapę dopplera mocy w skali logarytmicznej.
Zdefiniuj okrągły obszar zainteresowania zawierający od jednego do 30 pikseli na obrazie i uśrednij sygnał danych filtru dla pikseli w obszarze zainteresowania, aby uzyskać wektor dla danych filtru dla odpowiedniej liczby eksperymentalnych punktów czasowych. Aby obliczyć i wyświetlić spektrogram dopplerowski tych danych, ustaw krótkie okno transformaty Fouriera na okno Hanna dla 60 próbek i ustaw krótki czas nakładania się transformaty Fouriera na 90% długości okna. Następnie nałóż częstotliwość środkową w każdym punkcie czasowym spektrogramu i użyj wzoru Dopplera, aby przeliczyć wartości częstotliwości na prędkości osiowe krwi.
Jeśli uzyskano spektrogram dobrej jakości, prędkości krwi można wyekstrahować z dowolnego obszaru zainteresowania na obrazie. Na tym obrazie mózgu noworodka można zaobserwować naczynia akwizycyjne o bardzo różnej charakterystyce przepływu, od małych żyłek korowych i tętnic po główną tętnicę okołoczaszkową. Tutaj pokazano zdolność ultraszybkiego Dopplera do wyodrębnienia sygnału przepływu krwi w silnie poruszającym się narządzie, takim jak mięsień sercowy.
Chociaż zademonstrowaliśmy zastosowanie dekompozycji wartości osobliwych, można również zastosować inne typy filtrów. Ultraszybki Doppler pozwala nam lepiej zrozumieć mikroperfuzję. To prawdziwa rewolucja w obrazowaniu medycznym.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół demonstruje zastosowanie ultraszybkiego obrazowania dopplerowskiego w celu ilościowego pomiaru przepływów krwi. Technika ta pozwala na generowanie filmu przedstawiającego pełne pole widzenia z wartościami prędkości osiowej dla każdego piksela w odstępach około 0,3 ms.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Obrazowanie ultradźwiękowe
- Pomiar przepływu krwi
- Diagnostyka medyczna
Wprowadzenie
- Ultraszybkie ultrasonograficzne badanie Dopplera zwiększa czułość na małe prędkości przepływu krwi.
- Metoda ta ma kluczowe znaczenie dla oceny perfuzji w narządach takich jak mózg i serce.
- Ilościowa ocena przepływu krwi jest niezbędna w diagnostyce medycznej.
- Zrozumienie mikroperfuzji może prowadzić do lepszego wglądu w perfuzję guzów i narządów.
Cel badania
- Ilościowe określenie przepływu krwi z wykorzystaniem ultraszybkiego obrazowania dopplerowskiego w ultradźwiękach.
- Poprawa zrozumienia dynamiki perfuzji w różnych narządach.
- Opracowanie niezawodnej metody symulacji fazy pracy serca w układzie fantoma dopplerowskiego.
Zastosowane metody
- Konfiguracja fantoma Dopplera z wykorzystaniem plastikowych rurek i pompy perystaltycznej.
- Wykorzystanie cieczy imitującej krew do symulacji przepływu krwi.
- Programowanie pompy na określone prędkości wyrzutu w celu naśladowania cykli serca.
- Uruchomienie pompy przy jednoczesnym zapewnieniu usunięcia pęcherzyków powietrza z układu.
Główne wyniki
- Dostęp do filmu z pełnym polem widzenia zawierającego szczegółowe dane dotyczące prędkości osiowej.
- Demonstracja możliwości dokładnego pomiaru dynamiki przepływu krwi.
- Walidacja układu fantoma Dopplera do symulowania warunków fizjologicznych.
- Pogłębione zrozumienie charakterystyki przepływu krwi w różnych scenariuszach.
Wnioski
- Ultraszybkie obrazowanie Dopplera w badaniu ultrasonograficznym jest skuteczne w ilościowym określaniu przepływu krwi.
- Metoda ta dostarcza cennych informacji na temat perfuzji narządów i dynamiki guzów.
- Przyszłe zastosowania mogą zwiększyć możliwości diagnostyczne w warunkach klinicznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ultraszybkie ultradźwiękowe obrazowanie Dopplera umożliwia wysokorozdzielcze mapowanie przepływu krwi z zwiększoną czułością na perfuzję o niskiej prędkości, co wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka w walidacji celów sercowo-naczyniowych i onkologicznych. Technika ta dostarcza ilościowych, przestrzennie ciągłych danych hemodynamicznych, które zwiększają pewność prognostyczną w przedklinicznych modelach perfuzji narządowej i angiogenezy nowotworowej. Możliwość ta wspomaga wczesne etapy odkrywania leków poprzez wyjaśnianie fenotypów hemodynamicznych i ograniczanie niejednoznaczności biologicznej w procesach identyfikacji wiodących kandydatów.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesna faza odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie fenotypów hemodynamicznych w modelach chorób w celu wyjaśnienia hipotez terapeutycznych.
- Wartość operacyjna: Dostarcza ilościowych parametrów przepływu krwi w celu funkcjonalnej walidacji celów w ścieżkach zależnych od perfuzji.
- Wartość prognostyczna: Wspiera selekcję portfolio poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w odniesieniu do hemodynamicznych efektów działania leków.
Przesiewy i opracowanie testów
- Wartość naukowa: Dostarcza pomiarów prędkości z rozdzielczością przestrzenną na poziomie pikseli, co umożliwia wiarygodny screening związków w modelach naczyniowych.
- Wartość operacyjna: Oferuje powtarzalne obrazowanie z wysoką częstotliwością klatek, zapewniając gotowość do standaryzowanych testów w systemach mikrofluidycznych lub fantomach.
- Skalowalność: Umożliwia ponowne wykorzystanie platformy na różnych etapach badań dzięki spójnym odczytom hemodynamicznym.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy profilowanie hemodynamiczne w fazie odkryć z walidacją przedkliniczną w modelach perfuzji specyficznych dla organów.
- Postęp skorygowany o ryzyko: Umożliwia podejmowanie decyzji go/no-go w oparciu o dane dotyczące zmian mikroperfuzji w tkankach serca, układu nerwowego lub tkankach nowotworowych.
- Dostosowanie biomarkerów: Wspiera identyfikację translacyjnych biomarkerów związanych z perfuzją w przypadku korelacji z wynikami funkcjonalnymi.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z wczesną fazą odkrywania leków na etapie identyfikacji związków wiodących, zapewniając fenotypowanie hemodynamiczne, które pozwala na potwierdzenie trafności celu terapeutycznego oraz optymalizację projektu testu.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez poprzez ilościowe mapowanie przepływu krwi w układach istotnych dla przebiegu chorób.
- Przesiewanie: Zwiększa gotowość testów dzięki powtarzalnym pomiarom prędkości o wysokiej rozdzielczości czasowej.
- Analityka: Dostarcza wyników prędkości osiowej i dopplerowskiej mocy sygnału, umożliwiając porównawczą analizę stanów.
- Badania translacyjne: Łączy się z pracami przedklinicznymi poprzez dynamikę perfuzji w modelach serca, mózgu i nerek.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako wielokrotnego użytku narzędzie do profilowania hemodynamicznego w wielu projektach badawczych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa czułość na przepływ krwi o niskiej prędkości, poprawiając wykrywanie zmian w mikroperfuzji.
- Wartość operacyjna: Umożliwia jednoczesną lokalizację i kwantyfikację przepływu krwi bez konieczności kompromisów.
- Wartość strategiczna: Redukuje ryzyko biologiczne w późnych etapach dzięki wczesnemu wyjaśnieniu mechanizmów hemodynamicznych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację skorygowaną o ryzyko dzięki ilościowym danym perfuzyjnym w modelach przedklinicznych.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy z zakresu fizyki ultradźwięków i przetwarzania sygnałów Dopplera.
- Wymagane są programowalne systemy ultradźwiękowe zdolne do ultraszybkiej transmisji fal płaskich.
- Konieczna jest standaryzacja międzyzespołowa w celu zapewnienia spójności konfiguracji fantomów i analizy danych.
- Wymaga uwzględnienia kwestii adaptacyjnych przy przejściu z modeli fantomowych na modele in vivo.
- Zależne od zastosowania odpowiednich technik filtrowania szumów (np. opartych na SVD) w celu wyizolowania sygnałów przepływu krwi.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
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
