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.

腹部大動脈瘤の定量的ひずみマッピング
 

腹部大動脈瘤の定量的ひずみマッピング

Article

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

三次元ひずみイメージングは、時間の経過とともに軟部組織の変形を推定し、疾患を理解するために使用されます。皮膚、血管、腱、その他の器官などの軟部組織の機械的挙動は、老化や疾患から変化する可能性のある細胞外組成の影響を強く受けます。複雑な生体組織の中で、臓器の機械的および機能的特性に大きな影響を与える可能性のあるこれらの変化を特徴付することが重要です。

定量的ひずみマッピングでは、体積画像データと直接変形推定方法を使用して、空間的に変化する3次元ひずみフィールドを計算します。このビデオでは、ひずみマッピングの原理を示し、複雑な生体組織内のひずみフィールドを推定するために定量的歪みマッピングがどのように使用されるかを示し、他のアプリケーションについて説明します。

生体組織は、エラスチンおよびコラーゲンの組成および配向に強く影響される。タンパク質エラスチンは、血管や肺など、絶えず伸縮する組織の弾性性の高い成分です。コラーゲンは体内で最も豊富なタンパク質であり、皮膚から骨までの組織に構造的完全性を提供する大きな繊維に束ねられた個々のトリプルヘリカルポリマーから組み立てられます。

これらのタンパク質の配向は、整列された繊維から繊維状メッシュネットワークまでさまちであり、組織の機械的特性に影響を与えます。ひずみは、時間の経過につれた軟部組織の相対的な変形の尺度であり、傷害および疾患を可視化するために使用することができる。数学的推定を用いて記述・マッピングされる。

心臓などの複雑な器官の歪みをマッピングするために、高解像度、空間的、時間的情報を提供する4次元超音波データを使用することができます。次に、直接変形推定方法(DDE)がデータに適用されます。コードは、次の式を使用して、3D 変形とそれに対応するグリーンラグランジュ株を推定するために使用されます。

グリーン ラグランジュひずみテンソルは、変形勾配テンソルと 2 次 ID テンソルに依存します。変形勾配テンソルは、従来、変位フィールドから推定されます。DDE 法では、ワーピング関数は変形テンソルに直接似るように最適化されています。ワーピング関数は、空間位置とワーピング パラメータの両方に依存します。変形の計算は、ワーピング関数に直接組み込まれます。最初の 9 つの要素は、変形勾配テンソルを表します。

この方法は、軟部組織の大変形と局所的な変形の両方を推定するために使用されます。ひずみマッピングの原理を理解したので、マウスの大動脈瘤を検出するためにひずみマッピングがどのように実行されるかを見てみましょう。

セットアップを開始するには、Vivo 2100ソフトウェアを開き、ラップトップを超音波システムに接続します。生理モニタリングユニットがオンになっていることを確認し、心拍数と温度を測定します。次に、3D モータ ステージを初期化します。

超音波トランスデューサを取り付け、すべての適切な接続が行われることを確認します。次に、ノックダウンチャンバーで3%のイソフルランを用いて画像化される動物を麻酔する。マウスが麻酔されたら、加熱された段階に移動し、1-2%のイソフルランを提供するために鼻コーンを確保します。眼科軟膏を眼に塗布し、足をステージ電極に固定して、動物の呼吸と心拍数を監視します。次に、直腸温度プローブを挿入します。目的の領域から髪を除去するために脱毛クリームを適用し、その後、離散領域に暖かい超音波ゲルの寛大な量を適用します。

画像取得を開始するには、まずイメージングウィンドウを開き、Bモードを選択します。次に、トランスデューサを動物の上に下げ、ステージ上のx軸とy軸ノブを使用して目的の領域を見つけます。呼吸数を監視して、実質的に減少しないことを確認します。目的の領域の中央にトランスデューサを配置します。次に、対象地域全体をカバーするために必要な距離を概算します。

MATLAB コードにこれらの寸法を入力し、0.08 ミリメートルのステップ サイズを選択します。動物の心臓と呼吸数が安定していることを確認してから、MATLABコードを実行します。

画像取得後、データを生の XML ファイルとしてエクスポートし、MAT ファイルに変換します。フレーム数、ステップサイズ、出力解像度を入力してください。次に、マトリックスを貫通平面で再サンプリングします。

新しい MAT ファイルを 3D ひずみ解析コードにインポートします。計算時間を短縮するために、ファイルのスケールを変更する必要がある場合があります。次に、分析する領域を入力します。追跡対象フィーチャの 2 次元スライス内のピクセル数を概算し、メッシュ テンプレートを単純なボックスまたは手動で選択したポリゴンとして選択します。メッシュ サイズに最適なピクセル番号を選択します。ヤコビアンとグラデーションを計算します。リージョンごとにこの手順を繰り返します。次に、ワーピング機能を適用します。

次に、DDE から計算されたデカルト変形を使用して、変形の固有値と固有ベクトルを決定します。次に、長軸、並べ替え軸、およびコロナ軸ビューをスクロールして、ひずみ値をプロットするスライスを選択します。

[解析にマニホールドを選択]を押します。次に、カーソルを使用して、大動脈の血栓、動脈瘤、および大動脈の健康な部分を含む大動脈壁に沿ってマーカーを配置します。すべてのビューに対してこの手順を繰り返します。最後に、カラー マッピングを使用して、対象領域上のひずみフィールドの結果をプロットします。

マウスから取得したアンジオテンシンII誘発性副腎解剖腹部大動脈瘤の例を詳しく見てみましょう。まず、複数の短軸心電図ゲーテッドキロヘルツ可視化ループを大小オラに沿って所定のステップサイズで取得し、組み合わせて4Dデータを作成します。

最適化されたワーピング関数を使用して3Dひずみ計算を行った後、インフラレナル大オルタの3Dスライス可視化プロットが得られます。主な緑色ひずみのカラー マップは、異種大動脈壁ひずみの領域をハイライトするためにオーバーレイされます。さらに、長軸と短軸ビューは、特に血栓が存在する場合に、ひずみの異種空間変動を明らかにします。

対応するひずみプロットは長軸の大動脈の健全な領域で高いひずみ値を示し、動脈瘤領域は短軸で減少したひずみを示します。

直接変形推定を用いた正確な定量歪みの可視化は、様々な生物医学用途で使用される有用なツールである。

例えば、心臓株は定量することができる。心周期の間、心筋は3D変形を起こす。3次元で株を定量することは、時間の経過とともにこの組織のダイナミクスを確実に特徴付けるために不可欠である。これは、動物モデルにおける疾患の進行を追跡するのに有用である。

別のアプリケーションは、腸組織の特徴付けにあります。腸の生体内イメージングは、周囲の構造からの影響のために困難です。しかしながら、腸線維症の画像から株を計算することは、外科的介入を必要とする問題のある領域の早期発見を提供するのに特に有用であり得る。

はるかに小さいスケールでは、このDDE法はまた、共焦点顕微鏡のような高解像度のイメージング技術を使用して細胞レベルに適用されます。これは、例えば、細胞外マトリックスの特性評価において、細胞が機械的変化の下でどのように通信するかを理解するのに役立つ。

JoVE の定量的ひずみビジュアライゼーションの概要を見たところです。ここで、生体組織の3次元株を測定する方法と、それが早期疾患検出でどのように使用されているかを理解する必要があります。見ていただきありがとうございます!

Read Article

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

Waiting X
simple hit counter