הדמיית זרימת דם עם דופלר אולטרה מהיר

Summary

פרוטוקול זה מראה כיצד ליישם הדמיית דופלר אולטרה מהיר כדי לכמת את זרימת הדם. לאחר רכישה ארוכה של 1, לנסיין יש גישה לסרט של שדה הראייה המלא עם ערכי מהירות צירית עבור כל פיקסל בכל ≈0.3 אלפיות השנייה (בהתאם לזמן האולטרסאונד של הטיסה).

Abstract

אפקט הדופלר פעמו הוא הטכניקה העיקרית המשמשת echography קלינית כדי להעריך את זרימת הדם. מיושם עם מצבי דופלר אולטרסאונד ממוקד קונבנציונאלי, יש לו כמה גבולות. ראשית, יש צורך בניתוח סינון אותות מכוון היטב כדי להבחין בין זרימת הדם לבין הרקמות הנעות שמסביב. שנית, המפעיל חייב לבחור בין לוקליזציה של זרימת הדם או לכמת אותם. בשני העשורים האחרונים, הדמיית אולטרסאונד עברה שינוי פרדיגמה עם הופעתה של אולטרסאונד אולטרה מהיר באמצעות גלים לא ממוקדים. בנוסף לעלייה של פי מאה ב-framerate (עד 10000 הרץ), טכניקה חדשה זו שוברת גם את סחר הכימות/לוקליזציה הקונבנציונלי, ומציעה מיפוי מלא של זרימת הדם של שדה הראייה וגישה בו זמנית למדידות מהירות עדינות ברמת הפיקסל הבודד (עד 50 מיקרומטר). המשכיות נתונים זו הן בממדים מרחביים והן בממדים זמניים משפרת מאוד את תהליך סינון הרקמה/דם, וכתוצאה מכך מגבירה את הרגישות למהירויות זרימת דם קטנות (עד 1 מ"מ/ים). בנייר שיטה זה, אנו שואפים להציג את הרעיון של דופלר אולטרה מהיר, כמו גם הפרמטרים העיקריים שלה. ראשית, אנו מסכמים את העקרונות הפיזיקליים של הדמיית גלים לא ממוקדת. לאחר מכן, אנו מציגים את אות דופלר עיבוד צעדים עיקריים. במיוחד, אנו מסבירים את היישום המעשי של האלגוריתמים הקריטיים להפרדת רקמות /זרימת דם ועל מיצוי מהירויות מנתונים מסוננים אלה. תיאור תיאורטי זה מתווסף לחוויות במבחנה. פנטום רקמה הטמעת תעלה עם נוזל חיקוי דם זורם הוא בתמונה עם מערכת אולטרסאונד לתכנות מחקר. מתקבלת תמונת זרימת דם ומאפייני הזרימה מוצגים עבור מספר פיקסלים בתעלה. לבסוף, סקירה של יישומי in vivo מוצע, מראה דוגמאות במספר איברים כגון קרוטידים, כליות, בלוטת התריס, המוח והלב.

Introduction

הדמיית אולטרסאונד היא אחת מטכניקות ההדמיה הנפוצות ביותר בפעילויות קליניות ומחקריות. השילוב של פליטת גלי אולטרסאונד ברקמות הביולוגיות ואחריו הקלטת ההדים האחוריים מאפשר שחזור של תמונות אנטומיות, מה שמכונה "B-Mode". שיטה זו מותאמת באופן מושלם להדמיית רקמות רכות, כגון רקמות ביולוגיות, אשר בדרך כלל מאפשרות חדירה של אולטרסאונד על פני כמה סנטימטרים, עם מהירות התפשטות של ≈1540 m/s. בהתאם לתדירות המרכזית של בדיקת אולטרסאונד, תמונות עם רזולוציה של 30 מיקרומטר עד 1 מ"מ מתקבלים. יתר על כן, ידוע כי התנועה של מקור אקוסטי, משפיע על המאפיינים הפיזיים של הגלים הקשורים. במיוחד, הקשר בין משמרות התדרים של גל ביחס למהירות המקור שלו מתואר כאפקט דופלר¹, שהביטוי הפשוט ביותר שלו הוא המגרש המשתנה של סירנה של אמבולנס נע. הדמיית אולטרסאונד כבר זמן רב השתמשה באפקט פיזי זה כדי להתבונן בתאי הדם האדומים הנעים², והיא מציעה מגוון מצבי הדמיה שכותרתם בדרך כלל "הדמיית דופלר". מצבים אלה מאפשרים הערכה של זרימת הדם ביישומים ואיברים שונים מאוד, כגון מוח, לב, כליות או עורקים היקפיים.

למרבה הפלא, רוב מערכות אולטרסאונד זמין כיום להסתמך על אותה טכנולוגיה, המכונה אולטרסאונד קונבנציונלי. העקרונות הבסיסיים הם כדלקמן: קרן אקוסטית insonifies את שדה הראייה והוא נסחף לאורך צמצם מתמר אולטרסאונד. עבור כל מיקום של הקרן, ההדים נרשמים ומומרים לשורה של התמונה הסופית. על-ידי הזזה הדרגתית של הקרן לאורך המתמר, ניתן לדמיין את כל שדה הראייה קו-שורה(איור 1, לוח שמאלי). אסטרטגיה זו הותאמה היטב לאילוצים החשמליים ולכוח המחשוב ששררו עד תחילת המאה ה-21. עם זאת, יש לו כמה חסרונות. בין אלה, framerate הסופי מוגבל כמה מאות תמונות לשנייה על ידי תהליך סריקת הקרן. במונחים של זרימת דם, זה framerate נמוך יחסית משפיע על מהירויות הזרימה המרבי שניתן לזהות, אשר מוכתב על ידי קריטריוני הדגימה של שאנון-Nyquist³. יתר על כן, דופלר קונבנציונלי חייב להתמודד עם עסקת חליפין מורכבת. על מנת להעריך את מהירות זרימת הדם באזור מסוים של עניין (ROI), כמה הדים הנובעים כי החזר על ההשקעה צריך להיות מתועד ברציפות. זה מרמז כי קרן אולטרסאונד נשמר באופן זמני במצב קבוע. ככל שהרכב ההד ארוך יותר, כך הערכת המהירות תהיה טובה יותר עבור החזר ההשקעה. עם זאת, כדי ליצור תמונה מלאה של שדה הראייה, הקרן חייבת לסרוק את המדיום. לכן, ניתן לחוש את הקונפליקט בין שני אילוצים אלה: החזקת הקרן כדי להעריך במדויק את המהירות לאורך קו אחד, או הזזת הקרן כדי ליצור תמונה. מצבי דופלר קונבנציונליים שונים (כלומר, דופלר צבע או דופלר גל דופק) ישירות לשקף את הפשרה. בדרך כלל, דופלר צבע מייצרת מפת זרימה בנאמנות נמוכה המשמשת לוקליזציה של כלי⁴, ואת דופלר גל הדופק משמש לאחר מכן כדי לכמת במדויק את הזרימה בכלי מזוהה בעבר⁵.

שתי מגבלות אלה (מסגרות נמוכות וסחר לוקליזציה / כימות) הם להתגבר עם טכניקות מתפתחות מסגרות גבוהות מאוד. בין אלה, גישת הצמצם הסינתטי⁶ או טכניקת השידור מרובת הקווים ניתן לצטט⁷. במחקר זה, אנו מתמקדים במה שמכונה שיטת אולטרסאונד Ultrafast. הציג לפני שני עשורים^8,9,10, שיטה זו מסתמכת גם על פליטה / קבלה של אולטרסאונד, אבל עם דפוס שונה בתכלית. ואכן, במקום להשתמש בקרן ממוקדת סריקה, הדמיה מהירה במיוחד משתמשת בגל מטוסים או בגלים מתפצלים, המסוגלים להחדיר את שדה הראייה בפליטה אחת. בעקבות פליטה אחת, האלקטרוניקה הקשורה היא גם מסוגלת לקבל ולעבד את המספר העצום של הדים שמקורם בכל שדה הראייה. בסוף, ניתן לשחזר תמונה מתבנית פליטה/קבלה אחת¹¹ (איור 1, לוח ימני). פליטות לא ממוקדות אלה יכולות להיות בעלות אות נמוך ליחס רעש (SNR) עקב התפשטות האנרגיה האקוסטית. ניתן לטפל בכך על-ידי פליטת מספר גלי מישור (או הסטת גלים במקורות שונים) ועל-ידי הוספת התמונות המתקבלות. שיטה זו נקראת "הרכבה קוהרנטית"¹². שתי השלכות עיקריות מתעוררות. ראשית, framerate תלוי רק בזמן אולטרסאונד של הטיסה והוא יכול להגיע לערכים אופייניים מ 1 עד 10 kHz. שנית, זה מבטיח את המשכיות הנתונים הן בממדים מרחביים והן בממדים זמניים, המכונה גם קוהרנטיות מרחבית. כך נשבר סחר הלוקליזציה/כימות הקונבנציונלי. שילוב זה של framerate גבוה קוהרנטיות מרחבית יש השפעה עצומה על היכולת לזהות זרימות דם עם אולטרסאונד. בהשוואה לאולטרסאונד קונבנציונלי, אולטרסאונד אולטרה מהיר מספק אפיון מלא של זרימת הדם³. למעשה, למשתמש יש גישה לקורס זמן המהירות בכל פיקסל של התמונה, לכל משך הרכישה (בדרך כלל ≈1 s), עם ציר זמן שניתן על ידי framerate (בדרך כלל, framerate של 5 kHz עבור רזולוציה זמנית של 200 μs). קצב מסגרות גבוה זה הופך את השיטה למתאימה למגוון רחב של יישומים כגון זרימה מהירה באיברים נעים כמו תאי לב¹³ או שריר הלב עם מיקרו זלוף כלילית¹⁴. יתר על כן, הוכח כי קוהרנטיות spatiotemporal שלה משפר מאוד את יכולתו להפריד זרימת דם איטית מרקמות נעות ברקע, ולכן מגביר את הרגישות לזרימת מיקרו כלי דם¹⁵. יכולת זו מעניקה גישה למיקרו כלי הדם של המוח הן בבעלי^{חיים 16} והן בבני אדם¹⁷.

לפיכך, אולטרסאונד אולטרה מהיר מתאים היטב לזרימת הדם במגוון מצבים. הוא מוגבל לרקמות ביולוגיות רכות ויהיה מושפע מאוד על ידי נוכחות של ממשקים קשים כגון עצמות, או חלל גז כגון הריאה. הכוונון של הפרמטרים הפיזיים של רצף אולטרסאונד מאפשר את המחקר של שניהם איטי (עד 1 מ"מ / s^11,16) וזרימות מהירות (עד כמה m / s). קיים פשרה בין הרזולוציה המרחבית לבין עומק החדירה. בדרך כלל, רזולוציה של 50 מיקרומטר ניתן להשיג במחיר של חדירה סביב 5 מ"מ. לעומת זאת, ניתן להאריך את החדירה ל 15-20 ס"מ במחיר של רזולוציה של 1 מ"מ. ראוי לציין כי רוב הסורקים האולטרה מהירים כגון זה המשמש במאמר זה מספקים רק תמונות דו-ממדיות.

כאן, אנו מציעים פרוטוקול פשוט כדי להציג את הרעיון של הדמיה דופלר אולטרה מהיר, באמצעות סורק אולטרסאונד מחקר לתכנות דופלר פנטום מחקה כלי (עורק או וריד) מוטבע ברקמה ביולוגית.

Protocol

1. הגדרת הכנת פנטום דופלר (איור 2A)

1. חבר את המשאבה peristaltic, מאגר נוזל חיקוי הדם, dampener הדופק ואת פנטום זרימת דופלר עם צינורות הפלסטיק.
2. בחר את התעלה בקוטר 4 מ"מ.
3. לתכנת את המשאבה לפלוט 720 מ"ל / דקה של נוזל עבור 0.3 s ולאחר מכן להוציא 50 מ"ל / דקה עבור 0.7 s כדי לחקות בהתאמה את שלבי לב סיסול ו diastole
4. הפעל את המשאבה בעדינות לנער את הצינורות כדי לגרש בועות אוויר פוטנציאליות.
   הערה: המפעיל יכול לבחור קוטר תעלה שונה וקצב משאבה שונה, אך יצטרך להבטיח כי רצף אולטרסאונד הוא מהיר מספיק כדי לרכוש את מהירויות הזרימה המהירות ביותר. Eq. 3 שהוצג מאוחר יותר יכול לעזור לעצב את הרצף.

2. הגדרת סורק אולטרסאונד אולטרה מהיר (איור 2A)

1. חבר את סורק המחקר המותאם במיוחד למחשב המארח באמצעות הקישור המהיר PCI.
2. שנה את מתאם המתמר בסורק האולטרסאונד כך שיתאים למחבר הבדיקה ולאחר מכן חבר את הגשוש.
3. הפעל את Matlab והפעל את רישיון סורק האולטרסאונד.
   הערה: סעיף זה והבא מניחים במרומז את השימוש במערכת Verasonics Vantage.

3. תכנות רצף אולטראסאונד

1. באמצעות סקריפטים דוגמאות, לעצב קונבנציונאלי ממוקד "B-Mode" (כלומר, echography) רצף שישמש עבור מיקום בדיקה.
   1. הגדר את עומק ההדמיה ל- 50 מ"מ.
   2. הגדר את עומק המוקד ל-35 מ"מ.
2. באמצעות סקריפטים דוגמאות, לעצב רצף אולטרסאונד אולטרה מהיר.
   1. הגדר את עומק ההדמיה ל- 50 מ"מ.
   2. תוכנית 3 מוטה גלי מטוס ב [-3,0,3] מעלות.
   3. הגדר את תדר החזרה על הדופק (PRF) ל- 12 קילו-הרץ.
   4. השתמש 4 חצי מחזורים עבור waveform אולטרסאונד, עם תדירות מרכז בהתאם לבדיקה בשימוש. תדר מרכזי של 5.2 מגה-הרץ נמצא כאן.
   5. הגדר את משך הזמן הכולל כ- 1 s.

4. מיקום בדיקה ורכישת נתונים

1. החל ג'ל אולטרסאונד על העדשה של החללית.
2. מניחים את החללית על הפנטום ומשגרים את רצף האולטרסאונד B-Mode.
3. אתר את תעלת העניין. הנוזל נראה כהה יותר מהרקמה שמסביב. הנח את הגשוש בתצוגה אורך.
4. באופן ידני לשמור על החללית בעמדה של עניין.
5. סיים את רצף B-Mode והפעל את סקריפט רכישת הרצף האולטרה מהיר ביותר.

5. שחזור תמונה (איור 2B)

1. לאחר סיום הרצף, שמור את הנתונים הגולמיים (הנקראים גם נתוני תדר רדיו, "RF").
2. הפעל את סקריפט שחזור התמונה באמצעות תוכנת ברירת המחדל של מערכת אולטרסאונד. בסוף התהליך, יש ליצור את מטריצת הנתונים IQ.
   הערה: הדים אולטרסאונד נרשמים על כל אלמנט של החללית עבור כל פליטה / קבלה, ולאחר מכן מאוחסנים במטריצת נתוני RF. שחזור התמונה החיל את חוק העיכוב המתאים על כל ערוץ ותוצאות מה שנקרא "IQ" (In-Phase/Quadrature) מטריצה. מטריצת ה- IQ המורכבת כוללת שלושה ממדים: שניים עבור רווח (עומק תמונה ורוחב) ואחד לזמן

6. סינון עומס (איור 2C)

הערה: לשלבים 6-7, עיין בתסריט Matlab המופיע בחומר המשלים.

1. שינוי צורה של מטריצת IQ תלת-ממדית (רווח x רווח x זמן) למטריצת Casorati דו-ממדית (זמן x של רווח), הנקראת IQr.
2. חשב את פירוק הערך הייחודי¹⁵ של IQr (Eq. 1).
   כיכר 1
3. לחשב את מטריצת הדמיון המרחבי C באמצעות וקטורים יחידים מרחביים U כפי שתואר על ידי Baranger et al.¹⁸ (II, D), ולזהות את גבולות תת החלל בדם N.
4. השתמש בחיתוך N זה כדי לסנן את נתוני מנת המשכל כמתואר ב- Demene et al.¹⁵ (II,C).

7. מדידות תצוגה חזותית ומהירות זרימה (איור 2C)

1. מיפוי דופלר כוח מחשוב על ידי שילוב המעטפה של הנתונים מסוננים IQ_t לאורך הממד הטמפורלי (Eq. 2). הקואורדינטות התלת-ממדיות z, x ו- t הן בהתאמה העומק, הרוחב והממד הזמני, n_t ומספר המסגרות שנרכשו.
   כיכר 2
2. הצג את מפת PD בסולם לוגריתם. להגדרה של הטווח הדינמי, חשבו את ה-PD הממוצע באזור שמחוץ לתעלה והשתמשו בערך זה ב-dB כגבול התחתון של הטווח הדינמי. טווח דינמי טיפוסי הוא [-30, 0] dB.
3. הגדר אזור עניין מעגלי (ROI) בתמונה, המכיל 1 עד 30 פיקסלים.
4. ממוצע אות IQ_f מעל הפיקסלים של החזר על ההשקעה, כדי להשיג וקטור של נקודות זמן n_t.
5. חשב והצג את הספקטרוגרמה של דופלר של , באמצעות הגודל הריבועי של המרת פורייה לזמן קצר (STFT).
   1. הגדר את חלון STFT לחלון 60 דגימות האן.
   2. הגדר את החפיפה STFT ל- 90% מאורך החלון.
6. שכב את התדר המרכזי בכל נקודת זמן של הספקטרוגרמה.
7. המר את ערכי התדר f למהירויות ציריות בדם v_z באמצעות נוסחת דופלר (Eq. 3). c₀ היא מהירות הקול במדיום ו- f_TW התדר המרכזי של צורת הגל המועברת של אולטרסאונד (כאן 5.2 MHz).
   כיכר 3

תוצאות

איכות הרכישה ולאחר העיבוד מוערכת תחילה על ידי בדיקה ויזואלית. צורת התעלה חייבת להיות גלויה בבירור בתמונת הדופלר החזקה, ואזור הרקמה חייב להיראות כהה. אם אות דופלר הכוח אינו מוגבל לתעלה, זה יכול להיות כי גם צעד מסנן העומס השתבש (סף SVD הוא נמוך מדי), או החללית חוותה תנועה חזקה במהלך הרכישה.

Discussion

מספר וריאציות אפשריות סביב המסגרת הראשית של פרוטוקול זה.

חששות חומרה
אם המשתמש מספק את המחשב המארח המותאם אישית שלו, לוח האם ומארז המחשב חייבים לציין חריץ PCI Express זמין. המעבד חייב להיות גם מספיק נתיבי PCIe כדי לטפל בכל ההתקנים.

בחירת בדיקה
ג?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Blood-mimicking fluid	CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA	069DTF
Doppler flow phantom	CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA	ATS523A
Matlab	MathWorks, Natick, Massachusetts, United States
Peristaltic pump / Doppler flow pump	CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA	769	Include tubings and pulse dampener
Transducer adpter	Verasonics, Kirkland, Washington, USA	UTA 408-GE
Ultrafast ultrasound research scanner	Verasonics, Kirkland, Washington, USA	Vantage 256
Ultrasound probe/transducer	GE Healthcare	GE 9L-D