Summary
동맥 강성 동맥 경화에 대한 대리 지표로서 간주 될 수있는 심혈 관계 질환 및 맥박 파 속도 (PWV)의 핵심 요소를 나타낸다. 이 프로토콜은 서로 다른 혈관 부위에 적용 가능하다 초음파 화상 처리에 기초하여 마우스에서 PWV를 산출하는 화상 처리 알고리즘을 설명한다.
Abstract
동맥 강성 즉 맥파 속도 (PWV), 맥파가 도관 용기 내에서 이동하는 속도를 계산함으로써 평가 될 수있다. 이 매개 변수는 점점이 특정 유전자형 / 치료와 관련된 혈관 기능의 변화를 평가하기 위해 또는 심장 질환의 진행을 특성화에 사용되는 작은 설치류 모델에서 연구되고있다. 이 프로토콜은, 초음파 (US) 이미지만을 사용하여 생쥐의 비 침습적 동맥 PWV 측정 리드 화상 처리 알고리즘을 설명한다. 제안 된 기술은 마우스에서 복부 대동맥 PWV 평가 및 연령 - 관련 변화를 평가하기 위해 사용되었다.
복부 대동맥 US 스캔 고주파 US 프로브를 구비 한 특정 US 장치를 이용하여 기체 마취 마우스로부터 수득된다. B 모드 및 맥파 도플러 (PW 도플러) 이미지는 각각의 속도 값을 순시 직경을 구하여 평균하기 위해 분석. 이를 위해, 에지 검출 및 윤곽 추적 기술이 사용된다. 단일 비트의 직경과 속도의 파형이 시간 직경 속도 (LND-V) 루프를 달성하기 위하여 정렬되고 결합되어 의미한다. PWV 값은 초기 수축기에 해당 루프의 직선 부분의 기울기로부터 얻어진다.
마우스에 대한 본 방법, 해부학 적 및 기능적 정보를 이용하여 복부 대동맥은 비 침습적 달성 할 수있다. US 화상 처리를 요구하는 것은 아니라, 탄성 특성의 관점에서 마우스 다른 동맥 부위의 비파괴 특성에 유용한 도구를 나타낼 수있다. 본 기술의 적용을 용이하게, 따라서 다중 사이트 동맥 경화 평가를 얻을 수있는 가능성을 제공하고, 예컨대 경동맥 혈관 다른 지역으로 확장 될 수있다.
Introduction
마우스 모델은 점점 심혈관 질환의 조사 (CVD)에 이용하고, 특히 질병 발달 한 여러 단계의 특성을 허용 길이 연구에 사용된다. 큰 동맥의 탄성 특성은 상이한 병리 적 상태와 관련된다 기술적 관점에서, 강성 동맥 맥파가 도관 용기 (2)으로 이동하는 속도를 나타내는 펄스 파 속도 (PWV)를 측정함으로써 평가할 수있다. 임상 적 중요성 때문에, 그것은 점점 심지어 작은 전임상 동물 실험 3에서 측정된다.
다른 기술은 마우스의 PWV를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 침습성 방법은 카테터 팁 압력 변환기의 사용에 기초한다. PWV는 두 측정들 사이의 거리를 서로 다른 부위에서 동맥 압력 신호를 획득하고 나누어 평가한다신호 (4) 사이의 시간 시프트에 의해 ITES. 이러한 종류의 기술에 관한 주요 단점은 따라서 종의 연구에 사용될 수없는 두 측정 사이트와 사이의 거리의 평가를 위해 동물의 희생을 요구한다는 것이다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 서로 다른 이미징 기법에 기초하여 비 침습적 방법이 개발되었다. 이전 연구 속도로 인코딩 된 자기 공명 영상 데이터 (5)와, 펄스 도플러 신호 (6)의 통과 시간 방법을 적용하여 얻은 마우스 PWV 평가를보고했다. 그러나, 이들 방법으로 얻어진 PWV 값은 동맥 경화의 지역 평가이다. 사실, 크기 및 탄성 특성의 관점에서 다른 동맥 차지하고, 평균 값을 나타낸다. 또한, 평가 이러한 종류 INF 수있는 오류의 원인은 두 측정 위치 사이의 거리에 대한 평가를 필요최종 결과 luence.
PWV는 직경 속도 (LND-V) 루프 (7)을 이용하여 평가 될 수있다. 이 방법은 선택된 용기의 직경과 유속 값의 동시 평가를 기반으로한다. 이 방법에 따르면, LND-V 루프 플로팅 자연 대수 직경의 값에 의해 얻어진 VS 속도 값을 의미하고 PWV 이른 수축기에 대응 얻어지는 루프의 직선 부분의 기울기를 계산함으로써 추정된다. 이 방법의 실제 구현에 관해서는, 이전의 작품은 이미 체외 셋업 시스템 7의 응용과 인간 (8) 모두 경동맥과 대퇴 PWV의 평가에 대한 사용에 대한 결과를보고했다.
본 연구의 주 목적은 U를 사용하여 마우스의 비 침습적 동맥 PWV 측정을 제공하는 화상 처리 알고리즘의 상세한 설명을 제공하는 것이다S 이미지 만. 제안 된 방법은 복부 대동맥으로 B 모드 및 펄스 웨이브 도플러 (PW-도플러) 이미지 및 주요 중요성의 동맥에 적용 할 수있는 모두의 처리에 의해 지역의 동맥 경화의 평가를 할 수 있습니다.
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Protocol
동물 실험은 유럽 지침 (63분의 2,010 / UE) 및 이탈리아어 법 (D.Lvo 2,014분의 26)에 따라 수행하고, 그 실험 동물 보호 원칙을 따랐다. 로컬 윤리 승인 패널 연구를 승인했다.
1. 이미징 절차
- 1 L / 분 순수한 산소에 2.5 %의 이소 플루 란 가득 마취 유도 챔버에 마우스를 놓습니다. 발가락 핀치에 응답하지 않는 문제가 마취의 깊이를 확인합니다.
- 부정사 위치에 온도 제어 보드에 동물을 배치합니다. 공회전을 방지하기 위해, 눈 연고와 동물의 눈을 적셔. 전용 코 콘에서 마우스의 코를 배치하여 마취 가스 유량 (1.5 % 이소 플루 란)를 제공합니다. 필요한 경우, 연구 대상 동물에 따라, 케이스의 경우에서 이소 플루 란의 비율을 조정한다. 40 ° C에서의 기판 온도를 수정합니다.
- 코트 네 도전성 페이스트 동물의 사지가에 포함 된 ECG 전극 그들을 테이프판. 석유 젤리로 윤활 직장 프로브와 함께 체온을 측정한다. 모든 생리 학적 측정 (ECG와 호흡 신호뿐만 아니라 온도가) 제대로 인수 표시되어 있는지 확인합니다.
- 제모 크림과 음향 커플 링 젤 코트를 함께 복부에서 화학적으로 머리를 제거합니다.
- 기계 팔에 (13-24 메가 헤르츠) 미국 프로브를 놓습니다.
- 동물의 US 프로브 평행 수정하고 초점 영역에있는 관심 영역과 복부 대동맥의 전후 이미지를 얻기 위해, 그것의 위치를 조정한다.
- 해부학 적 정보를 수집합니다.
- 높은 프레임 속도 인수 (9) ECG-문이 허용 버튼을 클릭하면, 700 FPS와 동일한 프레임 속도 취득을 선택하고 인수를 시작합니다. 주 : 이러한 방식으로 하나의 심장주기에 관한 용기의 해부학 적 이미지를 얻을 수있다.
- 유속 정보를 수집합니다. <> / 강해
- 동일한 스캔 투영을 사용하여 상기 PW 도플러 버튼을 클릭 용기의 중심에 샘플 볼륨을 위치시키고 시네 루프 3 초보다 짧게되지 않도록 이미지를 획득. 이러한 데이터 획득 US 투영에 기초하여 구별하는 경우에서의 조정 가능한 한 작은 각도 보정 유지를 얻었다.
- 온도 제어 보드에서 동물을 제거하고 전체 복구 기다립니다.
참고 :이 약 10 분 소요 우리의 경험에서. 이 흉골 드러 누움을 유지하기 위해 충분한 의식을 회복 할 때까지두고 무인 동물하지 마십시오.
2. 사후 처리
- 수출 B 모드 및 DICOM 파일로 PW-도플러 이미지와 개인용 컴퓨터에 저장합니다. 티파니 이미지 PW-도플러 DICOM 파일을 변환.
- 프로세스 B 모드 이미지.
- 전용 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)를 사용하여 대응 DICOM 파일을 가져.
- 윤곽을 초기화 (를 시작하기위한 단 한번의 클릭과 더블 클릭을 종료하기위한) 용기의 맨 벽에 가까이 선 그리려면 가까운 벽에 가까운 두 번 클릭합니다. 멀리 벽에 그 가까운 라인과 평행이 자동으로 표시됩니다. 은 "ANALYSE"버튼을 눌러 단일 프레임에 알고리즘을 적용합니다.
- 결과를 확인합니다. 가장자리가 정확하게 확인 된 경우 (예., 초기화 된 점의 진화는 후방 및 전방 벽을 모두 감지 한)은 "GO"버튼을 클릭하여 전체 시네 루프에 알고리즘을 적용합니다. 가장자리가 올바르게 식별되지 않은 경우, "지우기 형상"을 클릭하여 그들을 취소 및 포인트 2.2.2를 반복하여 다시 초기화합니다.
주 :이 알고리즘은 에지 검출 및 윤곽 추적 기술에 기초 이전 세부 (10)에 설명되었다. - 은 "RECORD"버튼을 눌러 최종 결과를 얻기과 CORR 저장하나의 심장주기에 관련된 순간 직경 값을 포함 .MAT 파일을 esponding.
- LND-V 루프 구현을위한 GUI를 엽니 다.
- 속도 곡선을 의미 단일 비트에 이르게 PW-도플러 영상 처리를 시작하기 위해 "VELOCITY"버튼을 클릭합니다.
- PW-도플러 추적을 확인하고 "WHITE LINE"버튼을 눌러 제로와 동일한 속도 값에 해당하는 줄을 찾습니다.
- 각각 (교정 패널에서)은 "VELOCITY"와 "TIME"버튼을 사용하여 속도 교정 및 시간 보정을 수행합니다. 이 버튼을 누르면 하나의 길이가 삽입 된 보정 계수에 해당하는 선을 그릴 수 있습니다.
- 수동으로 "ROI 물리 치료사"버튼을 사용하여 생리 학적 신호를 포함하는 투자 수익 (ROI)을 선택합니다.
- 수동 "ROI SIGNAL"버튼을 누름으로써 PW 도플러 추적을 포함하는 ROI를 선택한다.
- CLI봉투가 확인 된 경우 및 "ANALYSE"버튼 CK 확인. 결과가 만족스럽지 않은 경우 (이하 "임계 속도"편집 가능한 텍스트 필드에 새로운 값을 입력하여) 임계 값을 변경하고 다시 "ANALYSE"버튼을 누른다. 곡 이미지의 품질에 따라 케이스의 경우와 문턱. 은 "를 만드는데"버튼을 누릅니다.
- 심전도 신호의 R-피크를 찾아 "UPDATE"버튼을 클릭하여 그에 따라 속도 봉투 신호를 나눕니다. 은 "비트를 선택"버튼을 클릭하여 잡음에 의해 손상되거나 흡기 단계에없는 비트를 선택합니다. 이와 같이, 단일 비트와 속도 파형을 의미 얻었다.
- 고속 푸리에 변환은 주파수 도메인에서 선택된 비트를 보간 및 기준 (11)에 설명 된대로 모두가 같은 점수로 구성하도록 변환 방법 사용. 단순히 RET을 누르면 자동으로이 작업을 수행박자 번 PC 키보드의 항아리 키가 선택되었습니다. 은 "VELOCITY 의미 '체크 박스가 하나의 비트를 선택하면 속도 신호 포물선 속도 분포를 가정하는 12 개의 최대 속도로 곡선을 분할함으로써 달성되는 것을 의미한다. "OK"버튼을 누릅니다.
- 은 "DIAMETER"버튼을 클릭합니다. 은 "INTERPOLATE"버튼을 누름으로써 단일 비트 속도 신호와 동일한 샘플링 주파수를 갖는 단일 - 비트 경 신호를 얻기 위해 시간 영역에서의 단일 - 비트 경 파형 보간. "확인"버튼을 클릭합니다.
참고 : 동일한 샘플링 주파수와 데이터 포인트의 동일한 개수와 속도 곡선을 단일 비트의 직경을 가지고 의미하기 위해, 이들이 주파수 영역에서 보간된다. - (직경과 속도 파형을 표시하는 그래프 위) 정렬 방법과 "둘째 유도체"접근 방식을 선택하고 "업데이트"버튼 회로 차단기를 클릭엔. 두 곡선은 자동 시간 정렬 이차 미분 방법 (14)를 사용하는 것입니다.
- 속도 값을 의미 단일 비트에 대하여 단일 비트 직경 값의 자연 로그를 플롯하여 최종 LND-V 루프 구축. 두 파형이 정렬 될 때이를 자동으로 수행됩니다. 주 : 5 % 단일 비트의 최대치의 90 % 사이에 포함되는 점의 속도 곡선은 자동 위치하며이 점에 선형 보간이 루프의 직선 부분의 기울기를 평가하기 위해 적용되는 것을 의미한다.
- PWV는 다음 수학 식 7에 따라 계산
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Representative Results
제안 된 방법은 이전의 연구 (11)에서 마우스 복부 대동맥에 적용되었다. 다음 그림은 실제 마우스 이미지에 기술 된 방법의 응용 프로그램의 결과를 보여줍니다. 이러한 데이터는 하나의 동물 (: C57BL6 중량 : 13 주령 야생형 마우스 스트레인 33g)로부터있다 특히,도 1은 US 영상의 분석 결과를 나타낸다. 양상은 직경 파형을 제공하는 ECG가 게이팅 높은 프레임 율로 획득 된 B 모드 이미지에 적용 에지 검출 및 윤곽 추적 기술; 한편, PW 도플러 신호 포락선의 식별은 단일 비트 리드는 속도 곡선 평가를 의미한다. 단일 비트의 평가 속도 파형 다른 심장주기에서의 데이터의 평균을 포함하는 것을 의미한다. 데이터를 나타내는 경우, 속도 커브의 표준 편차 (얻어지는 표준 편차의 평균으로서 계산각 시점)이 0.0137 m / 초이다.
단일 비트 직경과 평균 속도 파형은 주파수 및 시간 영역 다음 시간 정렬 (그림 2A) 모두에서 보간됩니다. 도 2b에 도시 된 바와 같이 V-LND 루프는 자연 로그의 직경 값 대 평균 속도 측정을 플로팅함으로써 얻어진다. PWV는 초기 수축기에 대응하여 공지 된 루프의 직선 부분의 기울기를 계산함으로써 평가된다. 이 부분은 자동으로 평균 속도 곡선의 업 슬로프에 대응하는 것으로 식별된다. 이들 도면은 제안 된 기술의 구현에 필요한 화상 처리 동작은 동일한 방법을 사용하여 인간 7에서 얻어진 것과 유사하다 최종 LND-V 루프 리드 것을 나타낸다. 이것은이 기술은 마우스에서 비 침습적 PWV 평가에 대한 올바른 대안을 나타낼 수 있음을 시사한다.
그림 1 : B-모드와 PW-도플러 이미지의 처리. B 모드 화상 (a)는 엣지 검출 및 윤곽 추적 방법을 이용하여 처리된다. PW-도플러 이미지 (b)는 단일 비트가 속도 파형이 얻어진다 의미있는 엔벨로프 신호의 식별을 위해 처리된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2 : PWV 계산을위한 LND-V 루프의 구현입니다. B 모드 및 PW 도플러 화상 처리로부터 얻어진 직경 평균 속도 파형. (a). LND-V 루프는 천연 logari 플로팅함으로써 얻어진다평균 속도 값에 대해 직경 값 THM (b). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
본 연구에서, 생쥐 PWV 평가 용 LND-V 루프에 기초하여 화상 처리 알고리즘을 설명 하였다. 제안 된 기법은 US 이미지 프로세싱에 기반 것이며, 따라서, 기존의 기술 6 마우스 모델에서 동맥 경화의 평가 (13)에 유효한 대안을 나타낼 수있다. 사실, 반대로 동맥 압력 신호의 획득에 기초 희생되는 동물을 필요로되는 침습적 방법 (6)에,이 기술은 따라서 종 연구의 경우에 특히 적합 할 수 있으며, 완전히 비 침습적이고. 또한, 지역과 지역 아니다 동맥 경화의 평가를 제공한다. 제안 된 방법은 반사파 (15)에 의해 좌우되는 것으로 알려져 있지만, 로컬 PW 다른 US 기반 접근법에 대해 더 정확한 PWV의 평가를 제공 할 수있다이러한 단면 투영 컬러 플로우 데이터의 취득을 요구하는 유동 영역 기법 (13)에 기초하여 그와 같은 V 평가. 1.69 m / 초와 동일한 "대표 결과"절에 나와있는 PWV 값이 참조 (11)에보고 된 것과 일치한다 : 사실,이 연구에서 복부 대동맥 PWV는 1.91 ± 0.44 m / 초에서 동등했다 성인 마우스와 오래 된 동물에서 2.71 ± 0.63 m / 초.
PWV의 평가 오류를 최소화하기 위해 큰 관심은 우리에게 화상을 취득 할 때 지불해야한다. 특히, B 모드 이미지는 잡음에 의해 손상되지 직경 곡선을 얻기 위해 매우 명확 전방 및 후방 벽이 획득되어야한다. PW-도플러 이미지에 대해서는 상기 각 보정은 최소화되어야한다. 60 °의 값은 대부분의 경우에 나타낼 수 있고, 양호한 장축보기 속도 성분의 좋은 근사 적당히 조화. Furthermo다시, 반복 된 측정을 시험 전후의 경우, 치료는 동일 스캔 돌기, 즉 동일한 방법으로 용기를 촬상에주의해야한다.
제시된 방법의 주요 한계는 이미지가 필요한 직경 및 속도 파형 평가 동시에 취득하지 의미한다는 사실에 관한 것이다. 동시성의 부족은 PWV 평가에 대한 오류의 근원을 대표하고 측정 덜 정확한 수 있습니다. 또한, 실제의 동시 획득 개의 곡선 간의 더 나은 시간 정렬을 보장하고 심박수 링크 문제를 방지한다. 실용적인 관점에서, 또 다른 한계는 높은 프레임 레이트 ECG 게이팅 양상의 유용성의 부족 일 수있다. 이 문제는 부분적으로 B 모드 양상의 이미지를 획득하고, 높은 시간 해상도를 달성하기 위해 포착 파라미터를 조정함으로써 극복 될 수있다. 이 경우, 직경 신호해야단일 비트 직경의 파형을 얻기 위해서, 속도 신호와 동일한 방식으로 ECG 기반하여 분할 처리. 그러나, 일부 조건에서는, 얻어진 시간 해상도는 유효 직경 신호를 달성하기 위해 적절하지 않을 것이다. 이러한 한계를 극복하는 것을 목표로 화상 처리 체인의 장래 변형이 기술을 개선하고 로컬 동맥 경화의보다 정확한 평가가 발생할 것이다.
제시된 방법의 미래 응용 프로그램은 다른 동맥 지구 우려 것이다. 효과적으로는 B 모드 및 PW 도플러 이미지 만의 취득을 필요로한다는 사실 덕분에,이 방법은 쉽게 따라서 다중 사이트 동맥 경화 평가를 제공하고, 예컨대 경동맥 다른 혈관 부위에 적용 할 수있다. 높은 주파수 프로브는 예컨대 경동맥 자세히 표재성 혈관을 위해 선택되어야한다; 어떤 경우에는, 프로브의 선택 t에 대한 정확한 동맥의 가시화를 보장해야이 연구에서 그는 동물. 결론적으로, 설명 된 시스템은 마우스 모델에서 동맥 다른 기능적 특성을 평가할 수있는 간단한 방법을 제공 할 수있다.
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Disclosures
저자는 공개 아무것도 없어.
Acknowledgments
없음.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| VEVO2100 | FUJIFILM VisualSonics Inc, Toronto, Canada | micro-ultrasound equipment | |
| MS250 Ultrasound Probe | FUJIFILM VisualSonics Inc, Toronto, Canada | micro-ultrasound probe | |
| EKV Software | FUJIFILM VisualSonics Inc, Toronto, Canada | Software | |
| Matlab R2015a | MathWorks Inc, Natick, MA, USA | Software | |
| Conductive Paste | Chosen by the operator | Laboratory material | |
| Petroleum Jelly | Chosen by the operator | Laboratory material | |
| Depilatory Cream | Chosen by the operator | Laboratory material | |
| Acoustic Coupling Gel | Chosen by the operator | Laboratory material | |
| Developed Matlab Software | The authors are willing to collaborate with those researchers who are interested in the software and to make the software available under their supervision |
References
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