Angiografia akustyczna
Specyficzna gałąź ultrasonografii ze wzmocnieniem kontrastowym , angiografia akustyczna, jest minimalnie inwazyjną i niejonizującą techniką obrazowania medycznego stosowaną do wizualizacji układu naczyniowego. Angiografia akustyczna została po raz pierwszy opracowana przez Dayton Laboratory na North Carolina State University i stanowi bezpieczną, przenośną i niedrogą alternatywę dla najpopularniejszych metod angiografii, takich jak angiografia rezonansu magnetycznego i angiografia tomografii komputerowej . Chociaż ultradźwięki tradycyjnie nie wykazują wysokiej rozdzielczości MRI lub CT, ultradźwięki o wysokiej częstotliwości (HFU) osiągają stosunkowo wysoką rozdzielczość, poświęcając pewną głębokość penetracji. HFU zwykle wykorzystuje fale między 20 a 100 MHz i osiąga rozdzielczość 16-80 μm na głębokości 3-12 mm. Chociaż HFU wykazuje odpowiednią rozdzielczość do monitorowania takich rzeczy, jak wzrost guza w warstwach skóry, sam w sobie nie ma głębi i kontrastu niezbędnych do obrazowania naczyń krwionośnych. Angiografia akustyczna przezwycięża słabości HFU, łącząc ultrasonografię ze wzmocnieniem kontrastowym z użyciem dwuelementowej głowicy ultradźwiękowej w celu uzyskania wizualizacji naczyń krwionośnych o wysokiej rozdzielczości na stosunkowo głębokich poziomach penetracji.
Angiografia akustyczna polega na wstrzyknięciu do naczyń specjalnie zaprojektowanych mikropęcherzyków o niskiej częstotliwości rezonansowej. Następnie element przetwornika o niskiej częstotliwości z dobrą penetracją w głąb jest używany do wysyłania fal ultradźwiękowych do próbki o częstotliwości rezonansowej mikropęcherzyków. Spowoduje to wygenerowanie odpowiedzi z mikropęcherzyków składającej się z częstotliwości subharmonicznych, podstawowych i nadharmonicznych, a także odpowiedzi z otaczającej tkanki składającej się tylko z częstotliwości podstawowych i drugiej harmonicznej. Wreszcie przetwornik wysokiej częstotliwości o wysokiej rozdzielczości jest używany do pomiaru częstotliwości nadharmonicznych, skutecznie usuwając wszelkie sygnały tła z sygnału mikropęcherzyków i umożliwiając wizualizację naczyń
Tło
Angiografia , czyli badanie naczyń krwionośnych, jest niezbędna w wielu dziedzinach badań i praktyki klinicznej. W szczególności angiografia jest potrzebna do monitorowania angiogenezy , czyli wzrostu i rozwoju nowych naczyń krwionośnych. Angiogeneza jest niezbędnym procesem, który najczęściej obserwuje się we wzroście narządów u płodów i dzieci, w rozwoju łożyska u dorosłych oraz w gojeniu się ran. Jednak nadmierną angiogenezę zaobserwowano w dziesiątkach zaburzeń, w tym w cukrzycy, endometriozie, chorobach autoimmunologicznych i astmie. Angiografia była wykorzystywana w badaniach, diagnostyce i leczeniu wielu z tych zaburzeń. Być może najważniejszym zastosowaniem angiografii do monitorowania angiogenezy jest wzrost guza. Guzy mogą istnieć przez miesiące, a nawet lata na nieangiogennym etapie rozwoju i rozpocząć szybki wzrost dopiero po ekspresji fenotypu angiogennego. W ten sposób angiogeneza stała się celem niektórych terapii przeciwnowotworowych. Niektóre terapie mają na celu promowanie zorganizowanego rozwoju naczyń krwionośnych w obszarach guza, co pozwala na bardziej jednorodną i skuteczną dystrybucję chemioterapii. Inne metody mają na celu całkowite zablokowanie początku lub postępu angiogenezy. W obu przypadkach angiografia jest niezbędna do pomiaru wzrostu, recesji lub kształtu naczyń krwionośnych in vivo w czasie podczas tych zabiegów i powiązanych badań
Obecnie najczęściej stosowanymi technikami angiografii są rentgenowska tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny . Jednak wiele innych metod jest wykorzystywanych do wykonywania angiografii w szczególnych okolicznościach, takich jak wykorzystanie optycznej koherentnej tomografii do wykonywania angiografii podczas badań siatkówki. Angiografia MRI zapewnia najwyższą rozdzielczość spośród obecnych metod angiograficznych i często można ją wykonać bez użycia środków kontrastowych, modyfikując sekwencję impulsów w celu wizualizacji aspektów naczyń, takich jak przepływ krwi. Z drugiej strony angiografia RTG wymaga zastosowania środka kontrastowego, ale nadal zachowuje stosunkowo wysoką rozdzielczość. Pomimo wysokiej jakości obrazów uzyskiwanych za pomocą obu tych technik, nadal istnieją istotne wady. Oba są stosunkowo powolne i wymagają drogiego sprzętu, podczas gdy tomografia rentgenowska również naraża pacjentów na potencjalnie szkodliwe promieniowanie jonizujące. Zatem nadal istnieje zapotrzebowanie na niedrogi, przenośny i bezpieczny kandydat do angiografii. Angiografia akustyczna jest w stanie zaspokoić tę potrzebę. Wykorzystując mikropęcherzyki jako środek kontrastowy i dwuelementową głowicę do identyfikacji sygnału, angiografia akustyczna pozwala osiągnąć głębię, kontrast naczyń i rozdzielczość niemożliwą do uzyskania innymi technikami ultrasonograficznymi.
Ultradźwiękowe środki kontrastowe
Ultradźwiękowe środki kontrastowe to cząsteczki stosowane w badaniach ultrasonograficznych w celu poprawy kontrastu obrazu. Pierwsze odnotowane użycie ultrasonograficznego środka kontrastowego zostało przez dr Raymonda Gramiaka i Pravina Shaha w 1968 r., Kiedy wstrzyknęli sól fizjologiczną do korzenia aorty serca i zaobserwowali zwiększony kontrast. Postawili hipotezę, że wzrost kontrastu był wynikiem „mini pęcherzyków wytwarzanych przez dużą szybkość wstrzykiwania lub prawdopodobnie zawartych w środku kontrastowym”. Chociaż większość ultrasonograficznych środków kontrastowych ma postać mikropęcherzyków , istnieją inne rodzaje, takie jak nanocząsteczki perfluorowęglowodoru lub liposomy echogeniczne.
składniki
Mikropęcherzykowe środki kontrastowe mają na ogół trzy główne składniki:
- Gaz wewnętrzny: Gazem wewnątrz mikropęcherzyków jest na ogół powietrze lub perfluorowęglowodór.
- Powłoka lipidowa: ta powłoka służy do zamknięcia w sobie gazu i zawsze jest zbudowana z lipidów ze względu na ich właściwości hydrofobowe
- Ligandy: W przypadku aktywnie ukierunkowanych mikropęcherzyków ligandy są przyłączone do zewnętrznej powierzchni otoczki lipidowej. Te ligandy są specyficzne dla receptorów błonowych w organizmie i mogą być wykorzystywane do kierowania określonymi fizjologicznymi (takimi jak zapalenie) lub narządami. W przypadku biernie ukierunkowanych mikropęcherzyków żadne ligandy nie są przyłączone do zewnętrznej otoczki, a zamiast tego mikropęcherzyki opierają się na czynnikach takich jak ładunek powierzchniowy, aby przylegać do śródbłonka .
Mechanizm kontrastu
Mikropęcherzyki działają jako środki kontrastowe w ultradźwiękach z dwóch głównych powodów: dużej różnicy w impedancji akustycznej między tkankami ciała a mikropęcherzykami oraz ich właściwością częstotliwości rezonansowej na ogół poniżej 10 MHz. Ze względu na większe niedopasowanie impedancji akustycznych mikropęcherzyki są niemal idealnymi reflektorami fal ultradźwiękowych w ciele. Dzięki temu mogą być punktowymi źródłami fal akustycznych. Co więcej, przy częstotliwości rezonansowej mikropęcherzyki mają szerokopasmową odpowiedź częstotliwościową o stosunkowo dużym natężeniu, która jest wychwytywana przez przetwornik ultradźwiękowy.
Identyfikacja sygnału mikropęcherzykowego
W klasycznym ultrasonografii ze wzmocnieniem kontrastowym istnieje wiele metod oddzielania sygnału odbitego od mikropęcherzyków od sygnału odbitego od otaczających tkanek ciała. Większość z tych metod wykorzystuje subharmoniczną i nadharmoniczną odpowiedź mikropęcherzyków, jak również nieliniową odpowiedź mikropęcherzyków na fale ultradźwiękowe, w przeciwieństwie do liniowej odpowiedzi tkanek ciała na fale ultradźwiękowe. Poniżej wymieniono niektóre z bardziej powszechnych metod filtrowania .
- Filtrowanie subharmoniczne: działa poprzez filtrowanie wszystkich sygnałów poza sygnałami subharmonicznymi. Ponieważ tkanka na ogół nie ma odpowiedzi subharmonicznej, pozostaje tylko sygnał mikropęcherzyków. Ponieważ jednak filtr ten filtruje sygnały o niskiej częstotliwości, rozdzielczość jest nieco obniżona, ponieważ rozdzielczość przestrzenna w ultradźwiękach zależy od częstotliwości akustycznej.
- Filtrowanie nadharmonicznych: Podobnie jak filtrowanie podharmoniczne, działa to poprzez filtrowanie wszystkich częstotliwości z wyjątkiem nadharmonicznych, które są w większości emitowane przez mikropęcherzyki, a nie przez otaczającą tkankę. W przeciwieństwie do filtrowania subharmonicznych, rozdzielczość jest w rzeczywistości lepsza, ponieważ odbierana jest tylko charakterystyka wysokich częstotliwości. Jednak większość głowic klinicznych nie ma szerokiego pasma niezbędnego do osiągnięcia tego celu.
-
Odwrócenie fazy: Ta metoda filtrowania wykorzystuje charakterystycznie nieliniową reakcję mikropęcherzyków na fale ultradźwiękowe. W tym przypadku odpowiedź nieliniowa oznacza, że faza i wielkość fali akustycznej odbitej przez mikropęcherzyk nie mają liniowej zależności z fazą i wielkością pobudzającej fali akustycznej. W metodzie tej przetwornik emituje dwa impulsy o przeciwnych fazach. Liniowa odpowiedź tkanki spowoduje głównie destrukcyjną interferencję fal o przeciwnych fazach, podczas gdy nieliniowa odpowiedź mikropęcherzyków pozwoli na przejście części sygnału.
Dzięki stworzeniu przetwornika dwuelementowego te metody filtrowania nie są już krytyczne. To właśnie odróżnia angiografię akustyczną od bardziej ogólnej ultrasonografii ze wzmocnieniem kontrastowym. Element wyśrodkowany przy niskiej częstotliwości służy do wzbudzania mikropęcherzyków przy ich częstotliwości rezonansowej, podczas gdy element wyśrodkowany przy wysokiej częstotliwości otrzymuje superharmoniczną odpowiedź mikropęcherzyków. Ponieważ tkanka jest wzbudzana przez wejście o niskiej częstotliwości i nie wytwarza odpowiedzi o wysokiej częstotliwości, jedyną odpowiedzią odbieraną przez dwuelementowy przetwornik jest ta pochodząca z mikropęcherzyków. W związku z tym do usunięcia sygnału tkankowego z uzyskanych danych konieczne jest niewielkie lub żadne przetwarzanie sygnału.
Ponieważ element wewnętrzny jest tylko odbiorczy, a element zewnętrzny tylko nadawczy, można wybrać specjalne materiały, aby zoptymalizować wydajność i czułość tego procesu. Tytanian cyrkonianu ołowiu (PZT) dobrze sprawdza się jako materiał elementu nadawczego, ponieważ ma wysoką stałą transmisji (d = 300 x 10^-12 m/V), podczas gdy polifluorek winylidenu (PVDF) dobrze sprawdza się jako materiał na element odbiorczy element, ponieważ ma wysoką stałą odbiorczą (g = 14 x 10^-2 Vm/N). Ogólnie rzecz biorąc, PVDF nie jest dobrym wyborem dla głowicy ultradźwiękowej, ponieważ ma stosunkowo słabą stałą transmisji, jednak ponieważ angiografia akustyczna oddziela elementy nadawcze i odbiorcze, nie stanowi to już problemu.
Tworzenie obrazu
Pozyskiwanie danych
Ponieważ angiografia akustyczna wykorzystuje dwuelementowy przetwornik ultradźwiękowy w postaci zogniskowanej sondy ultradźwiękowej, nie jest możliwe utworzenie szeregu przetworników, jak można to zrobić w innych formach obrazowania ultrasonograficznego . W ten sposób obrazy angiografii akustycznej są tworzone przez połączenie wielu obrazów trybu a, gdzie każdy tryb a jest jednowymiarowym obrazem identyfikującym granice akustyczne wzdłuż wektora wychodzącego z przetwornika.
Aby utworzyć obrazy dwu- lub trójwymiarowe, położenie i kąt przetwornika oraz wynikowy obraz w trybie a muszą być mechanicznie mechanicznie manipulowane. Dwie typowe konfiguracje używane do pozyskiwania tych obrazów w trybie a obejmują konfigurację woblera i konfigurację mechanicznego przemiatania.
W konfiguracji woblera sonda jest obracana tam iz powrotem wokół centralnej osi w jednej płaszczyźnie tak, że skany α są zorientowane promieniowo, a pole widzenia lub obszar, który można zobrazować, jest stożkiem. Pozwala to na bardzo szybką akwizycję α-skanów, ale ma niejednorodną rozdzielczość, ponieważ odległość między każdym punktem na sąsiednich α-skanach wzrasta wraz z głębokością.
W konfiguracji przemiatania liniowego sonda ultradźwiękowa jest poruszana mechanicznie, za pomocą zewnętrznego mechanizmu lub ręcznie, w kierunku prostopadłym do kierunku a-skanu. Ta konfiguracja pozwala na stosunkowo spójną rozdzielczość w funkcji głębokości, ponieważ każdy punkt na sąsiednich a-skanach jest jednakowo oddalony .
Po zebraniu danych w sposób opisany powyżej można je przetwarzać w celu utworzenia różnych typów obrazów, w tym projekcji i rekonstrukcji wolumetrycznej.
Występ
projekcyjne w USG są podobne w koncepcji do radiografii projekcyjnej . Jednak zamiast rzutować stopień absorbancji fotonów rentgenowskich wzdłuż danej ścieżki, obrazy projekcyjne w ultradźwiękach generalnie przedstawiają niedopasowanie impedancji akustycznej i lokalizacji wzdłuż danej granicy w tkance.
Maksymalna projekcja amplitudy
Projekcja maksymalnej amplitudy lub projekcja maksymalnej intensywności to technika przetwarzania obrazu używana do rzutowania danych trójwymiarowych na obraz dwuwymiarowy. Jest to cenne narzędzie, ponieważ umożliwia przekształcanie złożonych danych w bardziej zrozumiałe obrazy, które obejmują postrzeganie głębi.
W wielu formach obrazowania ultrasonograficznego i obrazowania fotoakustycznego maksymalna amplituda sygnału wzdłuż danego a-skanu jest używana jako wartość piksela powiązanego z tym a-skanem. Ponieważ fala akustyczna doświadcza tłumienia akustycznego zależnego od odległości , amplituda danego sygnału wzdłuż danego a-skanu również koduje odległość do obiektu, który wygenerował ten sygnał.
Ta prosta technika rekonstrukcji obrazu pozwala na łatwe formowanie i interpretację obrazów projekcyjnych utworzonych z sygnałów akustycznych.
Rendery wolumetryczne
Rendery wolumetryczne przekształcają dane wolumetryczne w obrazy projekcji. Większość metod wykorzystuje dane pozyskane w niższych wymiarach do generowania wokseli , pikseli wolumetrycznych, które po połączeniu mogą tworzyć obrazy 3D.
Rekonstrukcja wolumetryczna
Techniki rekonstrukcji objętości są używane do konwersji wielu obrazów 1D lub 2D na objętości 3D. Typowe techniki rekonstrukcji objętości obejmują najbliższego sąsiada piksela, najbliższego sąsiada woksela, woksele ważone odległością oraz metody oparte na funkcjach używane do statystycznego wnioskowania o wartości danego woksela.
Aplikacje
Ponieważ angiografia akustyczna jest obecnie w fazie rozwoju, ta specyficzna gałąź ultrasonografii ze wzmocnieniem kontrastowym nie jest obecnie stosowana w warunkach klinicznych. Większość wcześniejszych prac wykorzystujących angiografię akustyczną dotyczyła angiogenezy w modelach zwierzęcych do celów badawczych.
Chociaż FDA zatwierdziła stosowanie ultrasonografii ze wzmocnieniem kontrastowym tylko w jednym zastosowaniu klinicznym w Stanach Zjednoczonych, echokardiografii , ta szersza technika była stosowana w całej Europie i Azji z dużym powodzeniem w różnych zastosowaniach klinicznych. Aby dowiedzieć się więcej, zapoznaj się z aktualnymi zastosowaniami ultrasonografii ze wzmocnieniem kontrastowym .
Obecnie badane zastosowania kliniczne
Jedynym zastosowaniem angiografii akustycznej, które było dotychczas badane w warunkach klinicznych, było badanie angiogenezy w obwodowym układzie naczyniowym ludzkiej tkanki piersi. W badaniu tym oceniano, czy angiografia akustyczna może być stosowana w celu zmniejszenia konieczności wykonywania biopsji tkanki piersi podczas diagnozowania, czy zmiany w tkance piersi są nowotworowe, czy nie.
Wykorzystując angiografię akustyczną, autorzy zebrali i zrekonstruowali objętości 3D związane z układem naczyniowym otaczającym zmiany w piersi. Te zrekonstruowane objętości analizowano następnie pod kątem gęstości naczyń i krętości . Ta informacja jest przydatna do diagnozy, ponieważ wykazano, że gdy te dwa czynniki zwiększają się w układzie naczyniowym otaczającym zmianę, istnieje zwiększone ryzyko, że zmiana jest nowotworowa.