Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education Library
Biomedical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 

腹部主动脉瘤的定量应变图谱

Article

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

三维应变成像用于估计软组织随时间的变形并了解疾病。软组织(如皮肤、血管、肌腱和其他器官)的机械行为受到细胞外组成的强烈影响,这些成分会因衰老和疾病而改变。在复杂的生物组织中,对这些变化进行表征非常重要,这些变化可以显著影响器官的机械和功能特性。

定量应变映射使用体积图像数据和直接变形估计方法计算空间变化的三维应变场。本视频将说明应变映射的原理,演示如何使用定量应变映射来估计复杂生物组织中的应变场,并讨论其他应用。

生物组织受到艾莱他和胶原蛋白的组成和方向的强烈影响。蛋白质弹性蛋白是一种高度弹性的组织中,持续拉伸和收缩,如血管和肺部。胶原蛋白是人体中最丰富的蛋白质,由单个三螺旋聚合物组装而成,这些聚合物被捆绑成较大的纤维,为从皮肤到骨骼等组织提供结构完整性。

这些蛋白质的方向范围从对齐的纤维到纤维网状网络,这会影响组织的机械特性。应变是一种测量软组织随时间的相对变形,可用于可视化损伤和疾病。它使用数学估计来描述和映射。

为了绘制复杂器官(如心脏)的应变图,可以使用提供高分辨率、空间和时间信息的四维超声数据。然后,直接变形估计方法(DDE)应用于数据。使用以下公式使用代码估计 3D 变形和相应的绿拉格朗格应变。

绿色拉格朗日应变张数取决于变形梯度张数和二阶标识张数。变形梯度张量传统上是从位移场估计的。在 DDE 方法中,对翘曲函数进行了优化,以直接类似于变形张数。翘曲函数取决于空间位置和翘曲参数。变形计算直接纳入翘曲函数。前九个元素表示变形梯度张量。

此方法用于估计软组织中较大的和局部的变形。现在,我们已经了解了应变映射的原理,现在让我们来看看如何执行应变映射来检测小鼠的主动脉瘤。

要开始设置,请打开 Vivo 2100 软件,并将笔记本电脑连接到超声波系统。确保生理监测装置处于打开,以测量心率和温度。然后初始化 3D 电机级。

安装超声波传感器,并确保所有正确连接都已建立。接下来,麻醉动物,将使用3%异二苯在击倒室成像。一旦小鼠被麻醉,将其移动到加热阶段,并固定鼻锥,以提供1-2%的异常。在眼睛上涂上眼膏,将爪子固定在舞台电极上,以监测动物的呼吸和心率。然后插入直肠温度探头。涂抹脱毛霜,将头发从感兴趣区域去除,然后将大量热超声凝胶涂抹到脱毛区域。

要开始图像采集,首先打开成像窗口并选择 B 模式。然后,将传感器降至动物身上,并使用舞台上的 x 轴和 y 轴旋钮定位感兴趣的区域。监测呼吸速率,确保其不显著下降。将传感器放置在感兴趣区域的中间。然后近似覆盖整个感兴趣区域所需的距离。

在 MATLAB 代码中输入这些尺寸,然后选择 0.08 毫米的步长大小。确保动物的心脏和呼吸速率稳定,然后运行MATLAB代码。

图像采集后,将数据导出为原始 XML 文件,并将它们转换为 MAT 文件。请确保输入帧数、步长大小和输出分辨率。然后在透层中重新采样矩阵。

将新的 MAT 文件导入 3D 应变分析代码。可能需要重新缩放文件以缩短计算时间。然后,输入要分析的区域。近似跟踪要素的二维切片中的像素数,并选择网格模板作为简单框或手动选择的多边形。为网格大小选择最佳像素数。计算雅各派和梯度。对每个区域重复上述步骤。然后应用翘曲函数。

接下来,使用根据 DDE 计算的笛卡尔变形来确定变形的字符值和功能矢量。然后,通过滚动长轴、排序轴和日冕轴视图,选择要绘制应变值的切片。

按"选择歧管"进行分析。然后使用光标沿主动脉壁放置标记,包括主动脉的血栓、动脉瘤和健康的部分。对所有视图重复上述步骤。最后,使用颜色映射绘制感兴趣区域的应变场的结果。

让我们仔细看看从小鼠获得的血管紧张症 II 诱导的腹主动脉瘤解剖示例。首先,沿主塔的给定步长大小获得多个短轴 ECG 门千赫兹可视化循环,并组合以创建 4D 数据。

使用优化的翘曲函数执行三维应变计算后,获得红外主塔的三维切片可视化图。主绿色应变的颜色图叠加以突出异质主动脉壁应变区域。此外,长轴和短轴视图揭示了应变的异构空间变化,尤其是在存在血栓时。

相应的应变图在长轴主动脉的健康区域显示较高的应变值,而动脉瘤区域显示短轴中的应变减少。

使用直接变形估计进行精确的定量应变可视化是各种生物医学应用的有用工具。

例如,心脏拉伤是可以量化的。在心脏周期中,心肌经历3D变形。在三维中量化应变对于可靠地描述该组织随时间的变化动态至关重要。这在跟踪动物模型中的疾病进展方面很有用。

另一个应用是肠道组织的表征。由于周围结构的影响,肠道的体内成像具有挑战性。然而,从肠道纤维化图像计算应变可能特别有用,提供需要手术干预的问题区域的早期发现。

在更小的尺度上,这种DDE方法也通过使用高分辨率成像技术(如共聚焦显微镜)应用于细胞水平。例如,它用于细胞外基质的表征,以了解细胞在机械变化下如何通信。

您刚刚观看了 JoVE 对定量应变可视化的介绍。现在,您应该了解如何测量生物组织中的三维菌株,以及如何在早期疾病检测中使用三维菌株。感谢您的收看!

Read Article

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter