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Mapeo cuantitativo de la tensión de un aneurisma de la aorta abdominal
 

Mapeo cuantitativo de la tensión de un aneurisma de la aorta abdominal

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La toma de imágenes tridimensionales por tensión se utiliza para estimar la deformación de los tejidos blandos a lo largo del tiempo y comprender la enfermedad. El comportamiento mecánico de los tejidos blandos, como la piel, los vasos sanguíneos, los tendones y otros órganos, está fuertemente influenciado por su composición extracelular, que puede verse alterada por el envejecimiento y la enfermedad. Dentro de los tejidos biológicos complejos, es importante caracterizar estos cambios, que pueden afectar significativamente las propiedades mecánicas y funcionales de un órgano.

El mapeo cuantitativo de deformación unitaria utiliza datos de imagen volumétrica y un método de estimación de deformación directa para calcular los campos de deformación unitaria que varían espacialmente. Este video ilustrará los principios del mapeo de deformación unitaria, demostrará cómo se utiliza el mapeo cuantitativo de cepas para estimar los campos de tensión dentro de tejidos biológicos complejos y discutirá otras aplicaciones.

Los tejidos biológicos están fuertemente influenciados por la composición y orientación de la elastina y el colágeno. La elastina proteica es un componente altamente elástico de los tejidos que se estiran y contraen continuamente, como los vasos sanguíneos y los pulmones. El colágeno es la proteína más abundante en el cuerpo, y se ensambla a partir de polímeros triple-helicales individuales que se agrupan en fibras más grandes que proporcionan integridad estructural a los tejidos que van desde la piel hasta los huesos.

La orientación de estas proteínas abarca desde fibras alineadas hasta redes de malla fibrosa, que afecta a las propiedades mecánicas del tejido. La tensión es una medida de la deformación relativa de los tejidos blandos a lo largo del tiempo, y se puede utilizar para visualizar lesiones y enfermedades. Se describe y mapea mediante estimaciones matemáticas.

Para mapear la tensión en órganos complejos, como el corazón, se pueden utilizar datos de ultrasonido en cuatro dimensiones, que proporcionan información de alta resolución, espacial y temporal. A continuación, se aplica el método de estimación de deformación directa, o DDE, a los datos. Un código se utiliza para estimar la deformación 3D y las cepas de Green-Lagrange correspondientes utilizando la siguiente ecuación.

El tensor de cepa Green-Lagrange depende del tensor gradiente de deformación y del tensor de identidad del segundo orden. Los tensores de gradiente de deformación se estiman tradicionalmente a partir de campos de desplazamiento. En el método DDE, una función de deformación está optimizada para ser directamente análoga al tensor de deformación. La función de deformación depende tanto de la posición espacial como del parámetro de deformación. El cálculo de la deformación se incorpora directamente a la función de deformación. Los primeros nueve elementos representan el tensor de gradiente de deformación.

Este método se utiliza para estimar deformaciones grandes y localizadas en tejidos blandos. Ahora que entendemos los principios de la asignación de cepas, veamos ahora cómo se realiza el mapeo de deformación unitaria para detectar aneurismas aórticos en ratones.

Para comenzar la configuración, abra el software Vivo 2100 y conecte el portátil al sistema de ultrasonido. Asegúrese de que la unidad de monitoreo fisiológico esté encendida para medir la frecuencia cardíaca y la temperatura. A continuación, inicialice la etapa del motor 3D.

Instale el transductor de ultrasonido y asegúrese de que se realizan todas las conexiones adecuadas. A continuación, anestesia al animal que será imageado usando 3% de isoflurano en una cámara derribada. Una vez anestesiado el ratón, muévalo a la etapa calentada y asegure un cono nasal para entregar 1-2% de isoflurano. Aplique pomada oftálmica a los ojos y fije las patas a los electrodos del escenario para monitorear la respiración y la frecuencia cardíaca del animal. A continuación, inserte una sonda de temperatura rectal. Aplicar crema depilatoria para eliminar el cabello de la zona de interés, y luego aplicar una generosa cantidad de gel de ultrasonido caliente en el área depilada.

Para iniciar la adquisición de imágenes, primero, abra la ventana de imágenes y seleccione el modo B. A continuación, baje el transductor sobre el animal y utilice las perillas del eje X e Y en el escenario para localizar el área de interés. Controle la frecuencia respiratoria para asegurarse de que no disminuya sustancialmente. Coloque el transductor en el centro de la región de interés. A continuación, aproxime la distancia necesaria para cubrir toda la región de interés.

Introduzca estas dimensiones en el código MATLAB y elija un tamaño de paso de 0,08 milímetros. Asegúrese de que el corazón del animal y las tasas respiratorias estén estables y, a continuación, ejecute el código MATLAB.

Después de la adquisición de imágenes, exporte los datos como archivos XML sin procesar y conviértalos en archivos MAT. Asegúrese de introducir el número de fotogramas, el tamaño del paso y la resolución de salida. A continuación, vuelva a muestrear la matriz en el plano pasante.

Importe el nuevo archivo MAT al código de análisis de deformación unitaria 3D. Puede ser necesario cambiar la escala del archivo para reducir el tiempo de cálculo. A continuación, introduzca la región que desea analizar. Proxime el número de píxeles en un sector bidimensional de la entidad rastreada y seleccione la plantilla de malla como un cuadro simple o polígonos elegidos manualmente. Elija el número de píxel óptimo para el tamaño de malla. Calcular los jacobianos y los gradientes. Repita el proceso para cada región. A continuación, aplique la función de deformación.

A continuación, utilizando deformaciones cartesianas calculadas a partir de DDE, determine los valores propios y los autovectores de la deformación. A continuación, seleccione los sectores para los que desea trazar los valores de deformación unitaria desplazándose por las vistas de eje largo, eje de ordenación y eje coronal.

Pulse Seleccionar colector para análisis. A continuación, utilice el cursor para colocar marcadores a lo largo de la pared aórtica, incluyendo el trombo, el aneurisma y partes sanas de la aorta. Repita el proceso para todas las vistas. Por último, utilice la asignación de color para trazar los resultados del campo de deformación unitaria sobre la región de interés.

Echemos un vistazo de cerca al ejemplo de un aneurisma suprarrenal inducido por angiotensina II adquirido de un ratón. En primer lugar, se obtienen varios bucles de visualización de kilohercios de kilohercio saque-zqui-eje corto con un tamaño de paso determinado a lo largo de la aorta y se combinan para crear datos 4D.

Después de realizar el cálculo de deformación unitaria 3D utilizando una función de deformación optimizada, se obtiene la gráfica de visualización de sectores 3D de la aorta infrarrenal. El mapa de color de la tensión verde principal se superpone para resaltar regiones de tensión de pared aórtica heterogénea. Además, las vistas de eje largo y eje corto revelan variaciones espaciales heterogéneas en la deformación unitaria, especialmente cuando hay un trombo presente.

Las gráficas de deformación unitaria correspondientes muestran valores de deformación unitaria más altos en regiones sanas de la aorta en el eje largo, mientras que la región aneurisma muestra una disminución de la tensión en el eje corto.

La visualización cuantitativa precisa de la tensión mediante estimación de deformación directa es una herramienta útil utilizada en diversas aplicaciones biomédicas.

Por ejemplo, se puede cuantificar la tensión cardíaca. Durante el ciclo cardíaco, el miocardio sufre deformación 3D. La cuantificación de la tensión en tres dimensiones es fundamental para caracterizar de forma fiable la dinámica de este tejido a lo largo del tiempo. Esto es útil para rastrear la progresión de la enfermedad en modelos animales.

Otra aplicación está en la caracterización del tejido intestinal. La imagen in vivo de los intestinos es difícil debido a los efectos de las estructuras circundantes. Sin embargo, calcular la tensión a partir de imágenes de fibrosis intestinal podría ser particularmente útil para proporcionar detección temprana de áreas problemáticas que requieren intervención quirúrgica.

A una escala mucho menor, este método DDE también se aplica al nivel celular mediante el uso de técnicas de imagen de mayor resolución, como la microscopía confocal. Sirve, por ejemplo, en la caracterización de la matriz extracelular para entender cómo las células se comunican bajo cambios mecánicos.

Acaba de ver la introducción de JoVE a la visualización cuantitativa de cepas. Ahora debe entender cómo medir la tensión tridimensional en los tejidos biológicos y cómo se utiliza en la detección temprana de enfermedades. ¡Gracias por mirar!

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