6: Mapeamento Quantitativo de Tensão de um Aneurisma da Aorta Abdominal

1. Configuração de ultrassom 4D

1. Ao usar o software de imagem, use um laptop capaz de executar software matemático de computação para automatizar o processo de aquisição 4D. Conecte o laptop com este código personalizado ao sistema de ultrassom através da porta USB. Observe que o software de imagem tem um recurso de ultrassom 4D integrado ao software.
2. Depois de ligar o sistema de ultrassom, configure a unidade de monitoramento fisiológico e, ao mesmo tempo, garanta que os botões de frequência cardíaca e temperatura estejam ligados. Inicialize o estágio do motor 3D ligado ao suporte do transdutor.
3. Use o estágio apropriado e o transdutor de ultrassom para aquisição de imagens. Certifique-se de que todas as conexões adequadas sejam feitas.
4. Continue anestesiando e preparando o animal para a imagem. Adicione a pomada oftalmológica aos olhos para evitar a dessecação da córnea, fixar as patas nos eletrodos do estágio e inserir uma sonda de temperatura retal lubrificada. Remova a pele na área de interesse usando um creme depilatório.
5. Certifique-se de que o creme depilatório esteja concluído. Em seguida, aplique uma quantidade generosa do gel de transdução ultrassônico aquecido ao animal. Isso é especialmente importante para criar uma boa conexão sobre toda a região de interesse para imagens 4D.

2. Aquisição de Ultrassom 4D

1. Inicie um novo estudo sobre o sistema de ultrassom e abra a janela de imagem no Modo B (modo de brilho). Abaixe o transdutor sobre o animal e localize a região de interesse usando os botões x e y-axis no palco, certificando-se de que a taxa respiratória não diminua substancialmente. Monitore isso na parte inferior da tela.
2. Posicione o transdutor no meio da região de interesse. A partir daí, aproxime-se da distância necessária para que o transdutor se mova para cima e para baixo de tal forma que toda a região de interesse seja incluída.
3. Digite as dimensões aproximadas no código do software de computação, incluindo um tamanho de passo que normalmente é ~0,08 mm para imagens de aneurisma de aoórtica abdominal. Comece a executar o código depois de garantir que as taxas cardíacas e respiratórias do animal estejam estáveis. Isso é importante para reduzir erros ao reconstruir imagens.
4. Após concluir a aquisição de imagem, exporte os dados como arquivos XML brutos.

3. Conversão de Dados de Ultrassom 4D

1. Insira os arquivos XML brutos em software que pode converter os dados no formato adequado para a análise de manchas 3D. Aqui usamos matlab para converter arquivos XML em arquivos MAT. O roteiro completo do Matlab está disponível aqui.
2. Para a conversão adequada, o número de quadros, o tamanho da etapa e a resolução de saída desejada também precisarão ser inseridos.
3. Depois de resampling a matriz através do avião, importe o novo arquivo MAT para o código de análise de cepas 3D.

Análise de código de tensão .3D 4

1. Comece a analisar ajustando corretamente o arquivo MAT importado. Por exemplo, o volume de imagem pode precisar ser redimensionado para reduzir o tempo de computação.
2. Insira a região a ser analisada e determine o modelo de malha apropriado para segmentar os dados da imagem como caixas simples ou polígonos escolhidos manualmente. O tamanho da caixa das regiões e o espaçamento entre os pontos centrais podem precisar ser alterados para cada conjunto de dados. Os números ideais escolhidos para o tamanho da caixa estarão em torno da ordem dos pixels do recurso que está sendo rastreado, que podem ser aproximados olhando para o número de pixels em duas dimensões em uma fatia. O espaçamento das caixas determinará a resolução dos campos de tensão. Mais caixas aumentarão a resolução, mas também podem aumentar substancialmente o tempo de computação.
3. Comece a computar os jacobianos e gradientes iterativamente dentro de cada uma dessas regiões. Após a pré-comparação ser concluída, aplique a função de deformação.
4. Calcule o tensor de gradiente de deformação. Primeiro calcule a tensão e, em seguida, calcule os valores de eigen e eigenvectors usando o método de estimativa de deformação direta.
5. Plotar esses resultados nos planos desejados usando uma técnica como mapeamento de cores de um plano de corte para representar o campo de tensão sobre sua região de interesse.

A imagem tridimensional de deformação é usada para estimar a deformação dos tecidos moles ao longo do tempo e entender a doença. O comportamento mecânico dos tecidos moles, como pele, vasos sanguíneos, tendões e outros órgãos, é fortemente influenciado por sua composição extracelular, que pode ser alterada pelo envelhecimento e doenças. Dentro de tecidos biológicos complexos, é importante caracterizar essas alterações, que podem afetar significativamente as propriedades mecânicas e funcionais de um órgão.

O mapeamento quantitativo de deformações usa dados de imagens volumétricas e um método de estimativa de deformação direta para calcular os campos de deformação tridimensionais espacialmente variáveis. Este vídeo ilustrará os princípios do mapeamento de deformação, demonstrará como o mapeamento quantitativo de deformação é usado para estimar campos de deformação em tecidos biológicos complexos e discutirá outras aplicações.

Os tecidos biológicos são fortemente influenciados pela composição e orientação da elastina e do colágeno. A proteína elastina é um componente altamente elástico dos tecidos que se esticam e se contraem continuamente, como os vasos sanguíneos e os pulmões. O colágeno é a proteína mais abundante no corpo e é montado a partir de polímeros individuais de tripla hélice que são agrupados em fibras maiores que fornecem integridade estrutural aos tecidos, desde a pele até os ossos.

A orientação dessas proteínas varia de fibras alinhadas a redes de malha fibrosa, o que afeta as propriedades mecânicas do tecido. A deformação é uma medida da deformação relativa dos tecidos moles ao longo do tempo e pode ser usada para visualizar lesões e doenças. É descrito e mapeado usando estimativas matemáticas.

Para mapear a tensão em órgãos complexos, como o coração, dados de ultrassom quadridimensionais, que fornecem informações espaciais e temporais de alta resolução, podem ser usados. Em seguida, o método de estimativa de deformação direta, ou DDE, é aplicado aos dados. Um código é usado para estimar a deformação 3D e as deformações de Green-Lagrange correspondentes usando a seguinte equação.

O tensor de deformação de Green-Lagrange depende do tensor de gradiente de deformação e do tensor de identidade de segunda ordem. Os tensores de gradiente de deformação são tradicionalmente estimados a partir de campos de deslocamento. No método DDE, uma função de empenamento é otimizada para ser diretamente análoga ao tensor de deformação. A função de distorção depende da posição espacial e do parâmetro de empenamento. O cálculo da deformação é incorporado diretamente na função de empenamento. Os primeiros nove elementos representam o tensor do gradiente de deformação.

Este método é usado para estimar deformações grandes e localizadas em tecidos moles. Agora que entendemos os princípios do mapeamento de tensão, vamos ver como o mapeamento de tensão é realizado para detectar aneurismas da aorta em camundongos.

Para iniciar a configuração, abra o software Vivo 2100 e conecte o laptop ao sistema de ultrassom. Certifique-se de que a unidade de monitoramento fisiológico esteja ligada para medir a frequência cardíaca e a temperatura. Em seguida, inicialize o estágio do motor 3D.

Instale o transdutor de ultrassom e certifique-se de que todas as conexões adequadas sejam feitas. Em seguida, anestesiar o animal que será fotografado usando isoflurano a 3% em uma câmara de desmontagem. Depois que o mouse estiver anestesiado, mova-o para o estágio aquecido e prenda um cone nasal para fornecer 1-2% de isoflurano. Aplique pomada oftálmica nos olhos e prenda as patas aos eletrodos do palco para monitorar a respiração e a frequência cardíaca do animal. Em seguida, insira uma sonda de temperatura retal. Aplique creme depilatório para remover os pelos da área de interesse e, em seguida, aplique uma quantidade generosa de gel de ultrassom quente na área depilada.

Para iniciar a aquisição da imagem, primeiro abra a janela de imagem e selecione o modo B. Em seguida, abaixe o transdutor no animal e use os botões dos eixos x e y no palco para localizar a área de interesse. Monitore a frequência respiratória para garantir que ela não diminua substancialmente. Posicione o transdutor no meio da região de interesse. Em seguida, aproxime a distância necessária para cobrir toda a região de interesse.

Insira essas dimensões no código MATLAB e escolha um tamanho de passo de 0,08 milímetros. Certifique-se de que as frequências cardíaca e respiratória do animal estejam estáveis e, em seguida, execute o código MATLAB.

Após a aquisição da imagem, exporte os dados como arquivos XML brutos e converta-os em arquivos MAT. Certifique-se de inserir o número de quadros, o tamanho da etapa e a resolução de saída. Em seguida, reamostre a matriz no plano de passagem.

Importe o novo arquivo MAT para o código de análise de deformação 3D. Pode ser necessário redimensionar o arquivo para reduzir o tempo de computação. Em seguida, insira a região a ser analisada. Aproxime o número de pixels em uma fatia bidimensional da feição rastreada e selecione o modelo de malha como uma caixa simples ou polígonos escolhidos manualmente. Escolha o número de pixel ideal para o tamanho da malha. Calcule os jacobianos e os gradientes. Repita para cada região. Em seguida, aplique a função de distorção.

Em seguida, usando deformações cartesianas calculadas a partir do DDE, determine os autovalores e autovetores da deformação. Em seguida, selecione as fatias para as quais você deseja plotar os valores de deformação rolando pelas visualizações de eixo longo, eixo de classificação e eixo coronal.

Pressione Selecionar coletor para análise. Em seguida, use o cursor para colocar marcadores ao longo da parede da aorta, incluindo o trombo, o aneurisma e as partes saudáveis da aorta. Repita para todas as vistas. Por fim, use o mapeamento de cores para plotar os resultados do campo de deformação sobre a região de interesse.

Vejamos de perto o exemplo de um aneurisma da aorta abdominal dissecante suprarrenal induzido por angiotensina II adquirido de um camundongo. Primeiro, vários loops de visualização de kilohertz controlados por ECG de eixo curto são obtidos em um determinado tamanho de passo ao longo da aorta e combinados para criar dados 4D.

Depois de realizar o cálculo de deformação 3D usando uma função de deformação otimizada, o gráfico de visualização de corte 3D da aorta infrarrenal é obtido. O mapa de cores da deformação verde principal é sobreposto para destacar regiões de deformação heterogênea da parede aórtica. Além disso, as incidências de eixo longo e eixo curto revelam variações espaciais heterogêneas na deformação, particularmente quando um trombo está presente.

Os gráficos de deformação correspondentes mostram valores de deformação mais altos em regiões saudáveis da aorta no eixo longo, enquanto a região aneurismática mostra deformação diminuída no eixo curto.

A visualização quantitativa precisa da deformação usando estimativa direta de deformação é uma ferramenta útil usada em várias aplicações biomédicas.

Por exemplo, a tensão cardíaca pode ser quantificada. Durante o ciclo cardíaco, o miocárdio sofre deformação 3D. Quantificar a deformação em três dimensões é essencial para caracterizar de forma confiável a dinâmica desse tecido ao longo do tempo. Isso é útil para rastrear a progressão da doença em modelos animais.

Outra aplicação é na caracterização do tecido intestinal. A imagem in vivo dos intestinos é um desafio devido aos efeitos das estruturas circundantes. No entanto, o cálculo da tensão a partir de imagens de fibrose intestinal pode ser particularmente útil para fornecer detecção precoce de áreas problemáticas que requerem intervenção cirúrgica.

Em uma escala muito menor, esse método DDE também é aplicado ao nível celular usando técnicas de imagem de alta resolução, como microscopia confocal. Serve, por exemplo, na caracterização da matriz extracelular para entender como as células se comunicam sob mudanças mecânicas.

Você acabou de assistir à introdução do JoVE à visualização quantitativa de deformações. Agora você deve entender como medir a tensão tridimensional em tecidos biológicos e como isso é usado na detecção precoce de doenças. Obrigado por assistir!