Blutfluss-Bildgebung mit ultraschnellem Doppler

Jerome Baranger; Luc Mertens; Olivier Villemain

doi:10.3791/61838

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Methodenartikel

Blutfluss-Bildgebung mit ultraschnellem Doppler

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DOI:

10.3791/61838

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14. Oktober 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 diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll zeigt, wie ultraschnelle Ultraschall-Doppler-Bildgebung angewendet wird, um Blutflüsse zu quantifizieren. Nach einer 1 s langen Erfassung hat der Experimentator Zugriff auf einen Film des gesamten Sichtfeldes mit axialen Geschwindigkeitswerten für jedes Pixel pro ≈0,3 ms (abhängig von der Ultraschallzeit des Fluges).

Zusammenfassung

Der gepulste Doppler-Effekt ist die Haupttechnik, die in der klinischen Echographie zur Beurteilung des Blutflusses verwendet wird. Angewandt mit herkömmlichen fokussierten Ultraschall-Doppler-Modi, hat es mehrere Grenzen. Erstens ist eine fein abgestimmte Signalfilterung erforderlich, um Blutflüsse von umgebenden beweglichen Geweben zu unterscheiden. Zweitens muss der Bediener wählen, ob er die Blutflüsse lokalisiert oder quantifiziert. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Ultraschall-Bildgebung einen Paradigmenwechsel mit der Entstehung von ultraschnellem Ultraschall mit unfokussierten Wellen durchgemacht. Neben einer hundertfachen Erhöhung der Framerate (bis zu 10000 Hz) bricht diese neue Technik auch den konventionellen Quantifizierungs-/Lokalisierungskompromiss und bietet eine vollständige Blutfluss-Mapping des Sichtfeldes und einen gleichzeitigen Zugriff auf Fließgeschwindigkeitenmessungen auf Ein-Pixel-Ebene (bis zu 50 m). Diese Datenkontinuität sowohl in räumlichen als auch in zeitlichen Dimensionen verbessert den Gewebe-Blut-Filterprozess stark, was zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber kleinen Durchblutungsgeschwindigkeiten führt (bis zu 1 mm/s). In diesem Methodenpapier wollen wir das Konzept des ultraschnellen Dopplers sowie seine Hauptparameter vorstellen. Erstens fassen wir die physikalischen Prinzipien der unfokussierten Wellenbildgebung zusammen. Anschließend stellen wir die Hauptschritte der Doppler-Signalverarbeitung vor. Insbesondere erklären wir die praktische Umsetzung der kritischen Gewebe-/Blutflusstrennalgorithmen und die Extraktion von Geschwindigkeiten aus diesen gefilterten Daten. Diese theoretische Beschreibung wird durch In-vitro-Erfahrungen ergänzt. Ein Gewebe-Phantom, das einen Kanal mit fließender blutimitierender Flüssigkeit einbettet, wird mit einem forschungsprogrammierbaren Ultraschallsystem abgebildet. Es wird ein Durchflussbild erhalten und die Strömungseigenschaften werden für mehrere Pixel im Kanal angezeigt. Schließlich wird eine Überprüfung der In-vivo-Anwendungen vorgeschlagen, die Beispiele in mehreren Organen wie Karotis, Niere, Schilddrüse, Gehirn und Herz zeigt.

Einleitung

Ultraschall-Bildgebung ist eines der am häufigsten verwendeten bildgebenden Verfahren in der klinischen Praxis und Forschungsaktivitäten. Die Kombination der Ultraschallwellenemission in den biologischen Geweben, gefolgt von der Aufzeichnung der rückgestreuten Echos, ermöglicht die Rekonstruktion anatomischer Bilder, des sogenannten "B-Mode". Diese Methode ist perfekt für die Bildgebung von Weichgeweben geeignet, wie z. B. biologische Gewebe, die typischerweise das Eindringen von Ultraschall über mehrere Zentimeter ermöglichen, mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von ≈1540 m/s. Je nach Mittelfrequenz der Ultraschallsonde werden Bilder mit einer Auflösung von 30 bis ....