Imaging del flusso sanguigno con Doppler ultraveloce

Jerome Baranger; Luc Mertens; Olivier Villemain

doi:10.3791/61838

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Articolo metodologico

Imaging del flusso sanguigno con Doppler ultraveloce

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DOI:

10.3791/61838

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14 ottobre 2020

Jerome Baranger¹^,² , Luc Mertens¹^,² , Olivier Villemain¹^,²^,³

¹Translational Medicine Department, The Hospital for Sick Children, PGCRL Research Institute, ²The Labatt Family Heart Centre, Department of Pediatric, The Hospital for Sick Children, University of Toronto, ³Medical Biophysics Department, University of Toronto

In questo articolo

Sommario

Questo protocollo mostra come applicare l'imaging Doppler ad ultrasuoni ultraveloce per quantificare i flussi sanguigni. Dopo un'acquisizione lunga 1 s, lo sperimentatore ha accesso a un filmato dell'intero campo visivo con valori di velocità assiale per ogni pixel ogni ≈0,3 ms (a seconda del tempo di volo ad ultrasuoni).

Abstract

L'effetto pulsato-Doppler è la tecnica principale utilizzata nell'ecografia clinica per valutare il flusso sanguigno. Applicato con le modalità Doppler ad ultrasuoni focalizzate convenzionali, ha diversi limiti. In primo luogo, è necessaria un'operazione di filtraggio del segnale finemente ottimizzata per distinguere i flussi sanguigni dai tessuti in movimento circostanti. In secondo luogo, l'operatore deve scegliere tra localizzare i flussi sanguigni o quantificarli. Negli ultimi due decenni, l'imaging ad ultrasuoni ha subito un cambiamento di paradigma con l'emergere di ultrasuoni ultraveloce utilizzando onde sfocate. Oltre a un aumento di cento volte della frequenza dei fotogrammi (fino a 10000 Hz), questa nuova tecnica rompe anche il compromesso convenzionale di quantificazione /localizzazione, offrendo una mappatura completa del flusso sanguigno del campo visivo e un accesso simultaneo alle misurazioni delle velocità fini a livello di un singolo pixel (fino a 50 μm). Questa continuità dei dati sia nelle dimensioni spaziali che temporali migliora fortemente il processo di filtraggio tessuto/sangue, il che si traduce in un aumento della sensibilità alle piccole velocità del flusso sanguigno (fino a 1 mm/s). In questo documento di metodo, miriamo a introdurre il concetto di Doppler ultraveloce e i suoi parametri principali. In primo luogo, riassumiamo i principi fisici dell'imaging delle onde non focalizzato. Quindi, presentiamo i passaggi principali di elaborazione del segnale Doppler. In particolare, spieghiamo l'implementazione pratica degli algoritmi critici di separazione tessuto/flusso sanguigno e sull'estrazione delle velocità da questi dati filtrati. Questa descrizione teorica è integrata da esperienze in vitro. Un fantasma tissutale che incorpora un canale con fluido che imita il sangue scorre è immaginato con un sistema di ultrasuoni programmabile di ricerca. Si ottiene un'immagine del flusso sanguigno e le caratteristiche del flusso vengono visualizzate per diversi pixel nel canale. Infine, viene proposta una revisione delle applicazioni in vivo, mostrando esempi in diversi organi come carotidi, reni, tiroide, cervello e cuore.

Introduzione

L'imaging ad ultrasuoni è una delle tecniche di imaging più comunemente utilizzate nella pratica clinica e nelle attività di ricerca. La combinazione di emissione di onde ultrasoniche nei tessuti biologici seguita dalla registrazione degli echi retroscatterati consente la ricostruzione delle immagini anatomiche, la cosiddetta "B-Mode". Questo metodo è perfettamente adattato per l'imaging dei tessuti molli, come i tessuti biologici, che in genere consentono la penetrazione di ultrasuoni su diversi centimetri, con una velocità di propagazione di ≈1540 m /s. A seconda della frequenza centrale della sonda ad ultrasuoni, si ottengono immagini con una risoluzione da 30 μm a....