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 עשורים8,9,10, 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 בבעליחיים 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 / s11,16) 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
Representative Results
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?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות לריה שאה על הגהתה ועצתה.
Materials
| 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 |
References
- Doppler, C. . Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels. , (2020).
- Bonnefous, O., Pesqué, P. Time domain formulation of pulse-Doppler ultrasound and blood velocity estimation by cross correlation. Ultrasonic Imaging. 8 (2), 73-85 (2004).
- Bercoff, J., et al. Ultrafast compound doppler imaging: Providing full blood flow characterization. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 58 (1), 134-147 (2011).
- Evans, D. H., Jensen, J. A., Nielsen, M. B. Ultrasonic colour Doppler imaging. Interface Focus. 1 (4), 490-502 (2011).
- Nuffer, Z., Rupasov, A., Bekal, N., Murtha, J., Bhatt, S. Spectral Doppler ultrasound of peripheral arteries: a pictorial review. Clinical Imaging. 46, 91-97 (2017).
- Jensen, J. A., Nikolov, S. I., Gammelmark, K. L., Pedersen, M. H. Synthetic aperture ultrasound imaging. Ultrasonics. 44, (2006).
- Tong, L., Ramalli, A., Jasaityte, R., Tortoli, P., D’Hooge, J. Multi-transmit beam forming for fast cardiac imaging-experimental validation and in vivo application. IEEE Transactions on Medical Imaging. 33 (6), 1205-1219 (2014).
- Tanter, M., Bercoff, J., Sandrin, L., Fink, M. Ultrafast compound imaging for 2-D motion vector estimation: application to transient elastography. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 49 (10), 1363-1374 (2002).
- Udesen, J., et al. High frame-rate blood vector velocity imaging using plane waves: Simulations and preliminary experiments. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 55 (8), 1729-1743 (2008).
- Hansen, K. L., Udesen, J., Gran, F., Jensen, J. A., Bachmann Nielsen, M. In-vivo examples of flow patterns with the fast vector velocity ultrasound method. Ultraschall in der Medizin. 30 (5), 471-477 (2009).
- Tanter, M., Fink, M. Ultrafast imaging in biomedical ultrasound. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 61 (1), 102-119 (2014).
- Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., Fink, M. Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 56 (3), 489-506 (2009).
- Papadacci, C., Pernot, M., Couade, M., Fink, M., Tanter, M. High-contrast ultrafast imaging of the heart. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 61 (2), 288-301 (2014).
- Maresca, D., et al. Noninvasive Imaging of the Coronary Vasculature Using Ultrafast Ultrasound. JACC: Cardiovascular Imaging. 11 (6), 798-808 (2018).
- Demené, C., et al. Spatiotemporal Clutter Filtering of Ultrafast Ultrasound Data Highly Increases Doppler and fUltrasound Sensitivity. IEEE Transactions on Medical Imaging. 34 (11), 2271-2285 (2015).
- Demené, C., et al. 4D microvascular imaging based on ultrafast Doppler tomography. NeuroImage. 127, 472-483 (2016).
- Demené, C., et al. Ultrafast Doppler reveals the mapping of cerebral vascular resistivity in neonates. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 34 (6), 1009-1017 (2014).
- Baranger, J., Arnal, B., Perren, F., Baud, O., Tanter, M., Demene, C. Adaptive Spatiotemporal SVD Clutter Filtering for Ultrafast Doppler Imaging Using Similarity of Spatial Singular Vectors. IEEE Transactions on Medical Imaging. 37 (7), 1574-1586 (2018).
- Demené, C., et al. Ultrafast Doppler Reveals the Mapping of Cerebral Vascular Resistivity in Neonates. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 34 (6), 1009-1017 (2014).
- Goudot, G., et al. Wall Shear Stress Measurement by Ultrafast Vector Flow Imaging for Carotid Stenosis. Ultraschall in der Medizin – European Journal of Ultrasound. , (2019).
- Demené, C., Mairesse, J., Baranger, J., Tanter, M., Baud, O. Ultrafast Doppler for neonatal brain imaging. NeuroImage. 185, 851-856 (2019).
- Villemain, O., et al. Ultrafast Ultrasound Imaging in Pediatric and Adult Cardiology. JACC: Cardiovascular Imaging. , (2019).
- Provost, J., Papadacci, C., Demene, C., Gennisson, J. L., Tanter, M., Pernot, M. 3-D ultrafast doppler imaging applied to the noninvasive mapping of blood vessels in Vivo. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 62 (8), 1467-1472 (2015).
- Osmanski, B. F., Montaldo, G., Fink, M., Tanter, M. In vivo out-of-plane Doppler imaging based on ultrafast plane wave imaging. IEEE International Ultrasonics Symposium, IUS. 62 (4), 76-79 (2013).
- Kim, M. W., Zhu, Y., Hedhli, J., Dobrucki, L. W., Insana, M. F. Multi-dimensional Clutter Filter Optimization for Ultrasonic Perfusion Imaging. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 65 (11), 2020-2029 (2018).
- Chau, G., Li, Y. L., Jakovljevic, M., Dahl, J., Rodr, P. . Wall Clutter Removal in Doppler Ultrasound using Principal Component Pursuit. , (2018).
- Tierney, J., Baker, J., Brown, D., Wilkes, D., Byram, B. Independent Component-Based Spatiotemporal Clutter Filtering for Slow Flow Ultrasound. IEEE Transactions on Medical Imaging. , 1-1 (2019).
- Zhang, N., Rivaz, H. Clutter Suppression in Ultrasound: Performance Evaluation and Review of Low-Rank and Sparse Matrix Decomposition Methods. BioMedical Engineering Online. 19, 37 (2020).
- Guidi, G., Licciardello, C., Falteri, S. Intrinsic spectral broadening (ISB) in ultrasound Doppler as a combination of transit time and local geometrical broadening. Ultrasound in Medicine and Biology. 26 (5), 853-862 (2000).
- Cloutier, G., Shung, K. K., Durand, L. G. Experimental Evaluation of Intrinsic and Nonstationary Ultrasonic Doppler Spectral Broadening in Steady and Pulsatile Flow Loop Models. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 40 (6), 786-795 (1993).
- Winkler, A. J., Wu, J. Correction of intrinsic spectral broadening errors in doppler peak velocity measurements made with phased sector and linear array transducers. Ultrasound in Medicine and Biology. 21 (8), 1029-1035 (1995).
- Osmanski, B. F., Bercoff, J., Montaldo, G., Loupas, T., Fink, M., Tanter, M. Cancellation of Doppler intrinsic spectral broadening using ultrafast Doppler imaging. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 61 (8), 1396-1408 (2014).
- Sauvage, J., et al. A large aperture row column addressed probe for in vivo 4D ultrafast doppler ultrasound imaging. Physics in Medicine and Biology. 63 (21), (2018).
- Correia, M., Provost, J., Tanter, M., Pernot, M. 4D ultrafast ultrasound flow imaging: in vivo quantification of arterial volumetric flow rate in a single heartbeat. Physics in Medicine and Biology. 61 (23), 48-61 (2016).
- Center for Devices and Radiological Health. FDA Information for Manufacturers Seeking Marketing Clearance of Diagnostic Ultrasound Systems and Transducers. Center for Devices and Radiological Health. , (2008).
- I, IEC 62127-1 – Measurement and characterization of medical ultrasonic fields up to 40 MHz. IEC. , 61010-61011 (2013).
