Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Bu protokol, kan akışlarını ölçmek için ultra hızlı ultrason Doppler görüntülemenin nasıl uygulanacağını göstermektedir. 1 s uzunluğunda bir kazanımdan sonra, deneyci her piksel için eksenel hız değerlerine sahip tam görüş alanının bir filmine her ≈0,3 ms'ye (uçuşun ultrason süresine bağlı olarak) erişebilir.
Atımlı-Doppler etkisi, kan akışını değerlendirmek için klinik ekografyada kullanılan ana tekniktir. Geleneksel odaklanmış ultrason Doppler modları ile uygulanan, birkaç sınırı vardır. İlk olarak, kan akışlarını çevredeki hareketli dokulardan ayırt etmek için ince ayarlanmış bir sinyal filtreleme operasyonuna ihtiyaç vardır. İkincisi, operatör kan akışlarını lokalize etmek veya ölçmek arasında seçim yapmalıdır. Son yirmi yılda ultrason görüntüleme, odaklanmamış dalgalar kullanılarak ultra hızlı ultrasonun ortaya çıkmasıyla bir paradigma değişikliğine uğramıştır. Kare hızında yüz kat artışa (10000 Hz'e kadar) ek olarak, bu yeni teknik aynı zamanda geleneksel nicelik / yerelleştirme ticaretini de bozarak görüş alanının tam bir kan akışı eşlemesini ve tek piksel seviyesinde (50 μm'ye kadar) ince hız ölçümlerine eşzamanlı erişim sunar. Hem mekansal hem de zamansal boyutlardaki bu veri sürekliliği doku/kan filtreleme sürecini güçlü bir şekilde iyileştirir ve bu da küçük kan akışı hızlarına (1 mm/sn'ye kadar) duyarlılığın artmasına neden olur. Bu yöntem makalesinde, ana parametrelerinin yanı sıra ultra hızlı Doppler kavramını da tanıtmayı hedefliyoruz. Öncelikle odaklanmamış dalga görüntülemenin fiziksel prensiplerini özetliyoruz. Ardından, Doppler sinyal işleme ana adımlarını sunuyoruz. Özellikle, kritik doku/kan akışı ayırma algoritmalarının pratik uygulamasını ve bu filtrelenmiş verilerden hızların çıkarılmasını açıklıyoruz. Bu teorik açıklama in vitro deneyimlerle desteklenmiştir. Akan kan taklit sıvısı ile bir kanal gömen bir doku hayaleti, araştırma programlanabilir ultrason sistemi ile görüntülenmiştir. Bir kan akışı görüntüsü elde edilir ve akış özellikleri kanalda birkaç piksel için görüntülenir. Son olarak, karotis, böbrek, tiroid, beyin ve kalp gibi çeşitli organlarda örnekler gösteren in vivo uygulamaların gözden geçirilmesi önerilmektedir.
Ultrason görüntüleme klinik uygulama ve araştırma faaliyetlerinde en sık kullanılan görüntüleme tekniklerinden biridir. Ultrason dalgası emisyonunun biyolojik dokulardaki kombinasyonu ve ardından geri saçılan yankıların kaydedilmesi anatomik görüntülerin yeniden yapılandırılmasını sağlar, "B Modu" olarak adlandırılır. Bu yöntem, tipik olarak ultrasonun birkaç santimetreden fazla nüfuz etmesine izin veren biyolojik dokular gibi yumuşak doku görüntüleme için mükemmel bir şekilde uyarlanmıştır ve yayılma hızı 1540 m/ s≈dir. Ultrason probunun merkez frekansine bağlı olarak, 30 μm ila 1 mm çözünürlüğe sahip görüntüler elde edilir. Ayrıca, akustik bir kaynağın hareketinin ilişkili dalgaların fiziksel özelliklerini etkilediği iyi bilinmektedir. Özellikle, bir dalganın kaynağının hızına göre frekans kaymaları arasındaki bağlantı Doppler etkisi1, en basit tezahürü hareket eden bir ambulansın değişen siren atışıdır. Ultrason görüntüleme uzun hareketli kırmızı kan hücreleri gözlemlemek için bu fiziksel etkiyi kullanmıştır2ve yaygın olarak "Doppler görüntüleme" etiketli görüntüleme modları çeşitli önerir. Bu modlar beyin, kalp, böbrek veya periferik arterler gibi çok farklı uygulamalarda ve organlarda kan akışının değerlendirilmesini sağlar.
Dikkat çekici bir şekilde, şu anda mevcut ultrason sistemlerinin çoğu, geleneksel ultrason olarak adlandırılan aynı teknolojiye dayanır. Temel ilkeler şunlardır: akustik bir ışın görüş alanını inzozifiye eder ve ultrason dönüştürücü diyaframı boyunca süpürülür. Işın her konumu için yankılar kaydedilir ve son görüntünün bir çizgisine dönüştürülür. Işını dönüştürücü boyunca aşamalı olarak hareket ettirerek, tüm görüş alanı çizgi başına çizgi olarak görüntülenebilir (Şekil 1, sol panel). Bu strateji, 21. Bununla birlikte, birkaç dezavantajı vardır. Bunlar arasında, son kare hızı ışın tarama işlemi ile saniyede birkaç yüz görüntü ile sınırlıdır. Kan akışı açısından, bu nispeten düşük kare hızı, Shannon-Nyquist3örnekleme kriterleri tarafından dikte edilen tespit edilebilen maksimum akış hızlarını etkiler. Dahası, geleneksel Doppler karmaşık bir takasla başa çıkmalıdır. Belirli bir ilgi alanında (yatırım getirisi) kan akışı hızını değerlendirmek için, bu yatırım getirisinden gelen birkaç yankının art arda kaydedilmesi gerekir. Bu, ultrason ışınlarının geçici olarak sabit bir konumda tutulması anlamına gelir. Yankı topluluğu ne kadar uzun sürerse, yatırım getirisi için hız tahmini o kadar iyi olur. Ancak, görüş alanının tam bir görüntüsünü üretmek için kirişin ortamı taraması gerekir. Bu nedenle, bu iki kısıtlama arasındaki çatışmayı hissedebilirsiniz: bir satır boyunca hızı hassas bir şekilde değerlendirmek için kirişi tutmak veya bir görüntü oluşturmak için kirişi hareket ettirmek. Farklı geleneksel Doppler modları (yani, Color Doppler veya Pulse Wave Doppler) bu dengeyi doğrudan yansıtır. Tipik olarak, Renk Doppler damarları lokalize etmek için kullanılan düşük kaliteli bir akış haritası üretir4ve Pulse Wave Doppler daha sonra daha önce tanımlanmış bir gemi5'tekiakışı doğru bir şekilde ölçmek için kullanılır.
Bu iki sınırlama (düşük kare hızı ve yerelleştirme/niceleme takası) çok yüksek kare hızına sahip ortaya çıkan tekniklerle aşılır. Bunlar arasında sentetik açıklık yaklaşımı6 veya çok hatlı iletim tekniği7. Bu çalışmada Ultra hızlı ultrason yöntemi olarak adlandırılan yönteme odaklanıyoruz. Yirmi yıl önce tanıtıldı8,9,10, bu yöntem aynı zamanda ultrasonların emisyon / alımına dayanır, ancak radikal olarak farklı bir desene sahip. Gerçekten de, tarama odaklı bir ışın kullanmak yerine, ultra hızlı görüntüleme, görüş alanını tek bir emisyonla inzoz haline getirebilen düzlem dalgasını veya farklı dalgaları kullanır. Bu tek emisyonun ardından, ilişkili elektronik de tüm görüş alanından kaynaklanan çok sayıda yankıyı alabilir ve işleyebilir. Sonunda, bir görüntü tek bir emisyon/alım deseni11'den (Şekil1 , sağ panel) yeniden yapılandırılabilir. Bu odaklanmamış emisyonlar, akustik enerjinin yayılması nedeniyle düşük bir sinyal-gürültü oranına (SNR) sahip olabilir. Bu, birkaç başlıklı düzlem dalgası (veya farklı kaynaklara sahip farklı dalgalar) yayarak ve elde edilen görüntüleri ekleyerek ele alınabilir. Bu yöntem "tutarlı bileşikleme"12olarak adlandırılır. İki büyük sonuç ortaya çıkar. İlk olarak, kare hızı sadece uçuşun ultrason süresine bağlıdır ve 1 ila 10 kHz arasında tipik değerlere ulaşabilir. İkinci olarak, bu, mekansal ve zamansal boyutlarda, mekansal tutarlılık olarak da adlandırılan veri sürekliliğini sağlar. Geleneksel yerelleştirme/niceleme takası böylece bozulur. Yüksek kare hızı ve mekansal tutarlılığın bu kombinasyonu, ultrason ile kan akışlarını tespit etme yeteneği üzerinde muazzam bir etkiye sahiptir. Geleneksel ultrason ile karşılaştırıldığında, ultra hızlı ultrason kan akışının tam karakterizasyonunu sağlar3. Pratik olarak, kullanıcı, kare hızı tarafından verilen bir zaman ölçeğiyle (genellikle 200 μs zamansal çözünürlük için 5 kHz kare hızı) elde etme süresi boyunca (genellikle ≈1 s) görüntünün her pikselinde hız süresi kursuna erişebilir. Bu yüksek kare hızı, yöntemi kalp odaları13 veya koroner mikro perfüzyon14ile miyokard gibi hareketli organlarda hızlı akış gibi çok çeşitli uygulamalar için uygun hale getirir. Ayrıca, mekansal tutarlılığının yavaş kan akışını arka plan hareketli dokulardan ayırma yeteneğini güçlü bir şekilde geliştirdiği ve bu nedenle mikro vasküler akışa duyarlılığı artırdığı gösterilmiştir15. Bu kapasite hem hayvanlarda16 hem de insanlarda beynin mikro vaskülatlarına erişim sağlar17.
Bu nedenle, ultra hızlı ultrason çeşitli durumlarda kan akışını görüntünü için çok uygundur. Yumuşak biyolojik dokularla sınırlıdır ve kemikler veya akciğer gibi gaz boşluğu gibi sert arayüzlerin varlığından güçlü bir şekilde etkilenecektir. Ultrason dizisinin fiziksel parametrelerinin ayarlanarak hem yavaş (1 mm/sn11,16'yakadar) hem de hızlı akışların (birkaç m/s'ye kadar) incelenmesine izin verir. Mekansal çözünürlük ve penetrasyon derinliği arasında bir denge vardır. Tipik olarak, yaklaşık 5 mm penetrasyon pahasına 50 μm çözünürlük elde edilebilir. Tersine, penetrasyon 1 mm çözünürlük maliyetine 15-20 cm'ye kadar uzatılabilir. Bu makalede kullanılan tarayıcı gibi çoğu ultra hızlı tarayıcının yalnızca 2D görüntüler sağladığını belirtmek gerekir.
Burada, ultra hızlı Doppler görüntüleme kavramını tanıtmak için basit bir protokol öneriyoruz, programlanabilir bir araştırma ultrason tarayıcısı ve doppler hayalet biyolojik dokuya gömülü bir damarı (arter veya damar) taklit ediyor.
1. Doppler hayalet hazırlama kurulumu (Şekil 2A)
2. Ultra hızlı ultrason tarayıcı kurulumu (Şekil 2A)
3. Ultrason dizi programlama
4. Prob konumlandırma ve veri toplama
5. Görüntü rekonstrüksiyonu (Şekil 2B)
6. İkincil filtreleme (Şekil 2C)
NOT: 6-7 arası adımlar için Ek Malzeme'de sağlanan Matlab komut dosyasına bakın.
7. Akış görselleştirme ve hız ölçümleri (Şekil 2C)
Satın alma ve işlem sonrası kalitesi öncelikle görsel inceleme ile değerlendirilir. Kanalın şekli güç Doppler görüntüsünde açıkça görülmeli ve doku alanı karanlık görünmelidir. Güç Doppler sinyali kanalla sınırlı değilse, dağınıklık filtresi adımının yanlış gittiği (SVD eşiği çok düşük) veya probun alım sırasında güçlü bir hareket yaşadığı anlamına gelebilir.
Görsel incelemeden sonra, kanalın içindeki spektrogramın incelenmesi, deneyi...
Bu protokolün ana çerçevesi etrafında çeşitli varyasyonlar mümkündür.
Donanım endişeleri
Kullanıcı özel ana bilgisayarını sağlıyorsa, anakartın ve bilgisayarın kasasının kullanılabilir bir PCI hızlı yuvası olmalıdır. CPU ayrıca tüm cihazları işlemek için yeterli PCIe şeridine sahip olmalıdır.
Araştırma seçimi
Ultrason probu (transdüser olarak da adlandırılır) ihtiyaç duyulan uzamsal ...
Çıkar çatışması yok
Shreya Shah'a düzeltmeleri ve tavsiyeleri için teşekkür ederiz.
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 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır