מיפוי מאמץ כמותי של מפרצת באבי העורקים בבטן

אולטרסאונד 4D הוא נפח דינמי שנרכש באמצעות מנוע מתורגם ליניארי המחובר מתמר אולטרסאונד, המאפשר רכישה של לולאות וידאו רציף לב ונשימה מגודר על פני אזור של עניין. שיטה זו שימושית להדמיית מבנים מורכבים כגון הלב, שבו היפרטרופיה או אוטם גורמים לגיאומטריות ייחודיות, או מפרצות באבי העורקים, שבהן הרחבת כלי דם אסימטריים וריצוי מתרחשים לעתים קרובות בכלי נזיק. בנוסף, נתונים 4D יכול לספק מידע מרחבי וטמפורלי ברזולוציה גבוהה, אשר חשוב גם עבור הדמיה לב וכלי דם.

שיטת DDE החלה על נתוני אולטרסאונד 4D עדיפה על שיטות אחרות כי היא משתמשת ברישום תמונה לא נוקשה. טנסרים הדרגתיים של עיוות מוערכים באופן מסורתי משדות תזוזה בעקבות מתאם אמצעי האחסון הדיגיטלי. לעומת זאת, שיטת DDE מעריכה באופן מהותי טנסורים הדרגתיים של עיוות במהלך רישום נפח על-ידי מיטוב פונקציית עיוות שנבחרה בקפידה להיות מקבילה ישירות לטנסור העיוות. פונקציית העיוות תלויה הן במיקום המרחבי והן בפרמטר העיוות (p):

(2)

שלושת האלמנטים הראשונים של פונקציה זו מייצגים את טנזור הדרגתי עיוות, F, המאפשר את חישוב העיוות להיות משולב ישירות לתוך פונקציית עיוות. שיטת עיוות זו הוכחה כמגבירה את הדיוק והדיוק של הערכת המתח בהשוואה לטכניקות קודמות דומות מכיוון שהיא מאפשרת עיוותים גדולים או מקומיים הנפוצים ברקמות רכות.

1. הגדרת אולטראסאונד 4D

1. בעת שימוש בתוכנת ההדמיה, השתמש במחשב נייד המסוגל להפעיל תוכנת מחשוב מתמטית כדי להפוך את תהליך הרכישה של 4D לאוטומטי. חבר את המחשב הנייד עם קוד מותאם אישית זה למערכת אולטרסאונד באמצעות יציאת USB. שים לב כי תוכנת ההדמיה יש תכונת אולטרסאונד 4D משולב בתוכנה.
2. לאחר הפעלת מערכת האולטרסאונד, הקימו את יחידת הניטור הפיזיולוגי תוך הקפדה על קצב הלב וכפתורי הטמפרטורה. אתחל את שלב המנוע 3D המחובר למחזיק המתמר.
3. השתמש במתמר השלב והאולטרסאונד המתאים לרכישת תמונה. ודא שכל החיבורים המתאימים נוצרים.
4. המשך עם עשיית יראת חסד והכנת החיה להדמיה. הוסף משחה עיניים לעיניים כדי למנוע ייבוש קרנית, לאבטח את כפות הרגליים אל האלקטרודות שלב, ולהכניס בדיקה טמפרטורה רקטלית משומן. מוציאים פרווה באזור העניין באמצעות קרם דפילטורי.
5. ודא קרם depilatory הושלם הוסר. לאחר מכן, להחיל כמות נדיבה של ג'ל transducing קולי מחומם על החיה. זה חשוב במיוחד כדי ליצור חיבור טוב על פני כל אזור העניין עבור הדמיה 4D.

2. רכישת אולטראסאונד 4D

1. התחל מחקר חדש על מערכת האולטרסאונד ופתח את חלון ההדמיה ב- B-Mode (מצב בהירות). הורידו את המתמר על החיה ותאתרו את אזור העניין באמצעות ידיות ציר ה-x וה-y על הבמה, וודאו שקצב הנשימה לא יורד באופן משמעותי. נטר זאת בתחתית המסך.
2. מקם את המתמר באמצע אזור העניין. משם, משוער המרחק הדרוש עבור המתמר לנוע למעלה ולמטה כך שכל אזור העניין כלול.
3. הזן את הממדים המשוערים בקוד תוכנת המחשוב, כולל גודל שלב שהוא בדרך כלל ~ 0.08 מ"מ עבור הדמיית מפרצת אב העורקים בבטן. התחל להריץ את הקוד לאחר הבטחת קצב הלב והנשימה של החיה יציבים. הדבר חשוב להפחתת שגיאות בעת שחזור תמונות.
4. לאחר השלמת רכישת התמונה, יצא את הנתונים כקבצי XML גולמיים.

3. המרת נתוני אולטרסאונד 4D

1. הזן את קבצי ה- XML הגולמיים לתוכנה שיכולה להמיר את הנתונים לתבנית המתאימה לניתוח כתמי תלת-ממד. כאן אנו משתמשים Matlab להמיר קבצי XML לקבצי MAT. התסריט המלא של מטלב זמין כאן.
2. להמרה נכונה, יהיה צורך גם להזין את מספר המסגרות, גודל הצעד ורזולוציית הפלט הרצויה.
3. לאחר דגימה מחדש של המטריצה דרך המישור, יש לייבא את קובץ MAT החדש לקוד ניתוח המתח בתלת-ממד.

4.3D ניתוח קוד מאמץ

1. התחל בניתוח על-ידי התאמה נכונה של קובץ MAT המיובא. לדוגמה, ייתכן שיהיה צורך לשנות את קנה המידה של עוצמת התמונה כדי לקצר את זמן החישוב.
2. הזן את האזור שיש לנתח ולקבוע את תבנית רשת שינוי מתאימה כדי לפלח את נתוני התמונה כתיבות פשוטות או כמצולעים שנבחרו באופן ידני. ייתכן שיהיה צורך לשנות את גודל התיבה של האזורים והמרווח בין נקודות המרכז עבור כל ערכת נתונים. המספרים האופטימליים שנבחרו עבור גודל התיבה יהיו סביב סדר הפיקסלים של התכונה הנמצאת במעקב, שניתן להעריך על-ידי התבוננות במספר הפיקסלים בשני ממדים בפרוסה אחת. המרווח בין התיבות יקבע את הפתרון של שדות המתח. תיבות נוספות יגדילו את הרזולוציה אך עשויות גם להגדיל באופן משמעותי את זמן החישוב.
3. התחל לחשב את היעקובינים ואת השיפועים באופן איטרטיבי בתוך כל אחד מהאזורים הללו. לאחר השלמת ההקמה מראש, החל את פונקציית העיוות.
4. חשב את הטנסור של מעבר הצבע של עיוות. ראשית לחשב את המתח, ולאחר מכן לחשב את eigenvalues ו eigenvectors באמצעות שיטת הערכת עיוות ישיר.
5. התווה תוצאות אלה במישורים הרצויים באמצעות טכניקה כגון מיפוי צבע של מישור חתוך כדי לייצג את שדה המתח מעל אזור העניין שלך.

באמצעות ההליך המתואר לעיל, אולטרסאונד 4D של אנגיוטנסין II-המושרה על-על-חנית מפרצת באבי העורקים בבטן (AAA) של עכבר נרכש. לולאות וידאו מרובות של אק"ו קצרות ציר נרכשו לאורך העורקים ושולבו כדי ליצור נתוני 4D, כפי שמוצג באיור 1. נתונים אלה הומרו לאחר מכן לקובץ MAT באמצעות קוד מותאם אישית, אשר נותח לאחר מכן בקוד חישוב מאמץ תלת-ממדי באמצעות פונקציית עיוות. לאחר מיטוב הפרמטרים של הקוד עבור ערכת נתונים ספציפית, הופקה תצוגה מייצגת, ציר ארוך עם ערכי מאמץ תואמים, כמו גם התוויית תצוגה חזותית של פרוסה תלת-ממדית עם מפת צבע מאמץ מכוסה-איור 2). טכניקת DDE זו ונתוני המתח מדגישים את הווריאציות המרחביות ההטרוגניות במתח, במיוחד כאשר תרומבוס קיים. לאחר מכן ניתן לתאם תוצאות אלה עם מבנה כלי הדם כדי לקבוע את הקשר בין עיוות ויוו לבין הרכב מפרצת.

איור 1: לולאות הדמיה של אב העורקים (EKV) המגודרות באק"ג נרכשות ממיקומי התחלה וסיום שהוזנו ידנית, לאחר שלב של 0.2 מ"מ.

איור 2: נתוני אולטרסאונד בתדר גבוה 4D של מפרצת באבי העורקים של הבטן הניתחת מורין המיוצגת בסיסטולה (A) עם שדות מאמץ עיקריים המוערכים ומורכבים (B) (Scalebar = 5 מ"מ). תצוגות ארוכות וקצריות המייצגות אזורים מפרצתיים ובריאים המתאימים למתח העיקרי על מחזור לב אחד (systole: t = 0.4) (C, D). נתונים אלה מראים רמות מאמץ גבוהות יחסית באזורים בריאים וערכי מאמץ מופחתים בתוך המפרצת הניתחת.

לוקליזציה באפיון מכני vivo הוא חלק חשוב של הבנת הצמיחה ושיפוץ של רקמות ביולוגיות. בהשוואה לגישות קיימות, הליך כימות המתח המתואר כאן משתמש בשיטה משופרת של חישוב מדויק של זן תלת-ממדי באמצעות עיוות אופטימלי של התמונה הלא מעוצבת לפני מתאם צולב. שיטה זו אינה משתמשת בהנחות חומריות בקביעת זנים בתוך נפחי הרקמות. למרבה הצער, הערכת המתח אמינה רק עד לגודל ליבה של 15x15x15 voxels בעת שימוש בנתוני אולטרסאונד, דבר המצביע על כך שגישת DDE זו עשויה שלא לזהות תכונות עדינות בתוך שדה מאמץ. למרות מגבלה זו, הוא נשאר כלי חשוב לחקירת תגובות מכניות, אבחון פתולוגיה ושיפור מודלים של מחלות.

תחומי מחקר רבים מעבר למפרצת בתחום בתחום העורקים יכולים להפיק תועלת מכלי מדידת זן זה. זן לב יכול גם להיות לכמת בקלות באמצעות שיטה זו. מכיוון שהשריר הלב עובר עיוות תלת-ממדי במהלך מחזור הלב, כימות זן בשלושה ממדים הוא חלק בלתי נפרד מאפיון אמין של הדינמיקה של רקמה זו. נתוני זן אמינים חשובים במיוחד בעת מעקב אחר התקדמות המחלה במודלים של בעלי חיים.

ניתוח זן 3D יכול להיות מיושם גם הדמיית אולטרסאונד מעיים. אפיון מכני של רקמת מעיים מתנהל בדרך כלל במבחנה. עם זאת, זה לא תמיד ייצוג אמיתי של ההתנהגות בפועל של המעיים ב vivo בגלל השפעות מהמבנים שמסביב. כדוגמה לתרגום קליני של גישה זו, חישוב הזן מתמונות של פיברוזיס מעיים עקב לחץ זוהר חריג יכול לספק גילוי מוקדם של אזורים בעייתיים הדורשים התערבות כירורגית.

מעבר ליישומים בקנה מידה גדול יותר, שיטה זו יכולה להיות מיושמת גם על הרמה התאית באמצעות טכניקות הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר, כגון מיקרוסקופיה קונפוקלית. אפיון המטריצה החוץ-תאית חשוב להבנת האופן שבו תאים מתקשרים. מחקרים רבים נערכו על האפיון הביוכימי, אך הבנת האופן שבו תקשורת יכולה להתבצע באמצעות תגובות מכניות דורשת הבנה של עיוות ומתח. זן בתפזורת אינו מועיל כי אין דרך לקבוע את מקור השינוי עיוות. החלת גישת DDE ברזולוציה גבוהה יכולה לחשוף ישירות כיצד המטריצה החוץ-תאית מגיבה לשינויים מכניים.

הכרות

ברצוננו להודות לג'ון בויל, גיא גנין וסטברוס טומופולוס על תרומתו של קוד המטלב המותאם אישית של DDE המסוגל להתאים ישירות את זן לגראנז'-גרין.