Ультразвуковая локализационная микроскопия

Ультразвуковая локализационная микроскопия ( УЛМ ) — это современный метод ультразвуковой визуализации. Локализуя микропузырьки, ULM преодолевает физический предел дифракции, достигая разрешения субволнового уровня и квалифицируясь как метод сверхразрешения. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

УЛМ в основном используется для визуализации сосудов. Благодаря глубокому проникновению и высокому разрешению становятся видны крошечные сосуды глубоко внутри ткани. Эта возможность дает ULM значительное преимущество в диагностике заболеваний, связанных с развитием микрососудистых сосудов и ангиогенезом, таких как рак, диабет и некоторые нейродегенеративные заболевания. ^{[ 3 ]}

Принцип

УЛМ-анимация с прогрессивной реконструкцией васкуляризации мозга крысы. ^{[ 4 ]}

ULM требует нескольких кадров изображения, которые выделяют микропузырьки (МБ) и аппроксимируют реальную сосудистую сеть путем накопления расположенных центроидов МБ по всем кадрам. ^{[ 5 ]} МБ, обычно намного меньшие, чем передаваемая длина волны, действуют как точечные отражатели/излучатели ультразвуковых волн, которые переизлучают волны нелинейным образом. Таким образом, их отраженные ультразвуковые сигналы сильны и отделяются от окружающей ткани, что приводит к выделению микроциркуляторного русла. Однако их сигналы по-прежнему подвержены дифракционному пределу, а это означает, что, когда два MB находятся слишком близко друг к другу (на расстоянии менее половины передаваемой длины волны), они становятся неразличимы.

ULM преодолевает это ограничение, контролируя разреженность МБ, чтобы обеспечить минимальное вмешательство или перекрытие в их ответах. ^{[ 2 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Затем применяются вычислительные методы для определения местоположения каждого МБ, в частности центроида его ответа. Скопление этих расположенных центроидов должно очень напоминать реальную сосудистую сеть.

Общий рабочий процесс можно резюмировать следующим образом: ^{[ 2 ]}

Получите видео целевой области, где текут МБ;
Изолируйте сигнал MB от окружающей ткани в каждом видеокадре;
Найдите центры изолированных МБ;
Необязательно : Отслеживайте перемещение каждого МБ по кадрам;
Соберите расположенные центроиды со всех кадров, чтобы сформировать изображение.

Локализация микропузырьков

Процесс обнаружения в ULM фокусируется исключительно на сигналах, исходящих от микропузырьков (МБ), поскольку фоновые сигналы могут ухудшить точность локализации и отслеживания МБ. Крайне важно получить четкие изображения МБ, прежде чем приступить к какой-либо последующей обработке. Примечательно, что МБ находятся в движении внутри сосудов, тогда как окружающие ткани после коррекции движения остаются преимущественно статичными. Эта пространственно-временная разница фиксируется как в радиочастотных (РЧ) данных, так и в последовательных кадрах полученного видео. Для обнаружения МБ можно использовать различные алгоритмы локализации:

Детерминированный

Общие алгоритмы включают покадровое вычитание. ^{[ 7 ]} и разложение по сингулярным значениям. ^{[ 8 ]} Производительность различных алгоритмов зависит от типа данных изображения и приложения. ^{[ 7 ]} Сравнительное сравнение 2022 года ^{[ 9 ]} оценивает производительность детерминированных методов локализации MB, отмечая, что радиальная симметрия и гауссова аппроксимация были двумя алгоритмами локализации, которые неизменно получали высокие оценки по каждому количественному показателю; однако подгонка по Гауссу была почти в 50 раз медленнее, чем по радиальной симметрии. В качестве альтернативы трилатерация на основе радиочастотных данных обходит вычислительное формирование луча и обещает уточнить положения рассеивателей. ^{[ 10 ]}

Глубокое обучение

С ростом популярности глубоких нейронных сетей их внедрение в ULM в целом повышает надежность обнаружения МБ. ^{[ 4 ]}^{[ 10 ]} Чтобы преодолеть длительное время обработки ULM, сети обучаются непосредственно на радиочастотных данных, чтобы точно определять волновые фронты и избегать формирования луча. ^{[ 4 ]}

Отслеживание

Поскольку МБ являются исключительно внутрисосудистыми, смещение микропузырьков можно интерполировать между различными локализациями на пути. ^{[ 3 ]} По сути, если ряд локализаций достаточно близок друг к другу в некотором ограниченном количестве последовательных кадров, можно предположить, что эти локализации представляют собой один и тот же микропузырьк на определенном пути, и путь этих микропузырьков можно интерполировать на основе данных. Таким образом, скорость и направление микропузырьков (и, следовательно, крови) можно определить в микрометровом масштабе.

Трудности возникают при отслеживании МБ в связи с ограниченным обнаружением микропузырьков; например, сосуд, в котором обнаружен только один микропузырек, может выглядеть как капилляр диаметром 5 микрометров, но вместо этого представлять собой артериолу большего размера. Таким образом, для правильного изображения судна определенной глубины необходимо определенное количество следов; это число равно ширине сосуда, разделенной на размер пикселя сверхразрешения. Это также способствует балансированию концентрации микропузырьков: больше микропузырьков означает больше сигналов и локализаций, но слишком большое количество микропузырьков также ограничивает эффективность локализации, снижая возможности сверхразрешения.

Коррекция движения

Обычно существует дополнительный этап коррекции движения для корректировки деформаций, вызванных живым объектом. Артефакт движения может быть особенно проблематичным для клинического использования. ^{[ 5 ]} Хотя ULM достигает разрешения менее 10 микрометров, «движение в теле или от ультразвукового преобразователя может на несколько порядков превышать этот уровень». ^{[ 3 ]}^{[ 11 ]} Например, движение тела может иметь масштаб 0,5 мм, а разрешение ULM может составлять от 5 до 10 микрометров. Кроме того, ULM требует «много локализаций по многим кадрам» — другими словами, время получения изображения в пределах минут с частотой кадров в килогерц. Соотношение движения к разрешению и длительное время сбора данных, необходимые для ULM, означают, что коррекция движения жизненно важна для улучшения достижимого качества изображения.

Приложения

ULM обеспечивает «беспрецедентно детализированную микрососудистую архитектуру in vivo и надежные гемодинамические параметры» и делает это без зависимости от угла допплера. ^{[ 12 ]} В отличие от CEUS, ULM обычно обеспечивает 10-кратное улучшение разрешения изображения и предоставляет прямые и количественные данные о скорости кровотока. На практике ULM может выполняться в дополнение к CEUS, поскольку CEUS может выполняться в режиме реального времени, тогда как ULM требует постобработки данных.

Общие клинические применения, которые могут получить пользу от добавления ULM, включают визуализацию микроциркуляторного русла при развивающихся опухолях, визуализацию микроциркуляторного русла при заболеваниях печени/почек и визуализацию микроциркуляторного русла при ревматоидном артрите. В настоящее время проводится много исследований в отношении ULM для визуализации микроциркуляторного русла головного мозга и коронарной микрососудистой сети, где 10-кратное улучшение разрешения по сравнению с CEUS и прямая количественная гемодинамическая информация имеют решающее значение для сбора информации о микрососудистой структуре и гемодинамических свойствах. ^{[ 12 ]}

Однако ULM имеет серьезные препятствия для общего клинического применения, а именно: высокая частота кадров и интенсивные вычислительные требования. Это связано с тем, что ULM требует множества локализаций для многих кадров. Таким образом, для получения набора данных ULM необходима частота кадров в килогерцах в течение нескольких минут. Это требует не только времени и соответствующего оборудования, но и понимания правильных концентраций MB для клинического использования, которые различаются в зависимости от выбранных коммерческих контрастных веществ. Действительно, «полный контроль концентрации MB в кровотоке не может быть достигнут, и это варьируется в зависимости от органов, применений и пациентов, а также от разных марок вводимых MB. Между тем, «идеальная» концентрация MB и количество MB, необходимые для надежная визуализация ULM остается недостижимой и требует дальнейшего исследования». ^{[ 12 ]} Более того, валидация изображений повреждений ULM in vivo в настоящее время ограничена и не имеет золотого стандарта. ULM также не может выполняться в режиме реального времени, поскольку для фактического восстановления изображения требуется значительная постобработка данных, что требует значительных вычислительных затрат и, соответственно, является дорогостоящим во времени. ^{[ 12 ]}

См. также

УЗИ с контрастированием

Ссылки

^ Кутюр, Оливье; Бессон, Бенуа; Монтальдо, Габриэль; Финк, Матиас; Тантер, Микаэль (2011). «Микропузырьковая ультразвуковая визуализация суперлокализации (MUSLI)» . 2011 Международный симпозиум по ультразвуку IEEE . стр. 1285–1287. дои : 10.1109/ULTSYM.2011.6293576 . ISBN 978-1-4577-1252-4 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Эррико, Клаудия; Пьер, Жюльетта; Пезе, Софи; Десайи, Янн; Ленкей, Жолт; Кутюр, Оливье; Тантер, Микаэль (ноябрь 2015 г.). «Сверхбыстрая ультразвуковая локализационная микроскопия для глубокой визуализации сосудов сверхвысокого разрешения». Природа . 527 (7579): 499–502. дои : 10.1038/nature16066 . ПМИД 26607546 . S2CID 4447059 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Кристенсен-Джеффрис, Кирстен; Кутюр, Оливье; Дейтон, Пол А.; Эльдар, Йонина С.; Хюнюнен, Куллерво; Кисслинг, Фабиан; О'Рейли, Миган; Пинтон, Джанмарко Ф.; Шмитц, Георг; Тан, Мэн-Син; Тантер, Микаэль; ван Слоун, Рууд Дж.Г. (апрель 2020 г.). «Ультразвуковая визуализация сверхвысокого разрешения» . Ультразвук в медицине и биологии . 46 (4): 865–891. doi : 10.1016/j.ultrasmedbio.2019.11.013 . ПМЦ 8388823 . ПМИД 31973952 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Хане, Кристофер; Шабу, Жорж; Шавиньон, Артур; Кутюр, Оливье; Шнитман, Рафаэль (2024). «RF-ULM: ультразвуковая локализационная микроскопия на основе радиочастотных волновых фронтов» (PDF) . Транзакции IEEE по медицинской визуализации : 1–1. дои : 10.1109/TMI.2024.3391297 .
^ Jump up to: ^а ^б Денкс, Стефани; Шмитц, Георг (август 2023 г.). «Ультразвуковая локализационная микроскопия» . Журнал медицинской физики . 33 (3): 292–308. дои : 10.1016/j.zemedi.2023.02.004 . ПМЦ 10517400 . ПМИД 37328329 .
^ Кутюр, Оливье; Хингот, Винсент; Хайлес, Батист; Мулеки-Сея, Полина; Тантер, Микаэль (август 2018 г.). «Ультразвуковая локализационная микроскопия и сверхразрешение: современное состояние». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 65 (8): 1304–1320. дои : 10.1109/tuffc.2018.2850811 . ПМИД 29994673 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Десайи, Янн; Кутюр, Оливье; Финк, Матиас; Тантер, Микаэль (21 октября 2013 г.). «Соно-активируемая ультразвуковая локализационная микроскопия» (PDF) . Письма по прикладной физике . 103 (17). дои : 10.1063/1.4826597 .
^ Демен, Чарли; Деффье, Томас; Перно, Матье; Османски, Бруно-Феликс; Биран, Валери; Генниссон, Жан-Люк; Сье, Лим-Анна; Бергель, Антуан; Франки, Стефани; Корреас, Жан-Мишель; Коэн, Иван; Бод, Оливье; Тантер, Микаэль (ноябрь 2015 г.). «Пространственно-временная фильтрация помех сверхбыстрых ультразвуковых данных значительно увеличивает чувствительность допплера и ультразвука». Транзакции IEEE по медицинской визуализации . 34 (11): 2271–2285. дои : 10.1109/tmi.2015.2428634 . ПМИД 25955583 . S2CID 2757005 .
^ Хайлес, Батист; Шавиньон, Артур; Хингот, Винсент; Лопес, Полина; Тестон, Элиотт; Кутюр, Оливье (17 февраля 2022 г.). «Анализ производительности алгоритмов локализации микропузырьков для ультразвуковой локализационной микроскопии» (PDF) . Природная биомедицинская инженерия . 6 (5): 605–616. дои : 10.1038/s41551-021-00824-8 . ПМИД 35177778 . S2CID 246943634 .
^ Jump up to: ^а ^б Хане, Кристофер; Шнитман, Рафаэль (2023). «Геометрическая ультразвуковая локализационная микроскопия». Вычисление медицинских изображений и компьютеризированное вмешательство – MICCAI 2023 (PDF) . Конспекты лекций по информатике. Том. 14229. стр. 217–227. arXiv : 2306.15548 . дои : 10.1007/978-3-031-43999-5_21 . ISBN 978-3-031-43998-8 .
^ Реноден, Ноэми; Демене, Чарли; Дизё, Александр; Ялы-Радио, Натали; Пезе, Софи; Тантер, Микаэль (август 2022 г.). «Функциональная ультразвуковая локализационная микроскопия выявляет нейрососудистую активность всего мозга в микроскопическом масштабе» . Природные методы . 19 (8): 1004–1012. дои : 10.1038/s41592-022-01549-5 . ПМЦ 9352591 . ПМИД 35927475 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д И, Хуэй-мин; Лоурисон, Мэтью Р.; Сун, Пэн-фэй; Чжан, Вэй (февраль 2022 г.). «Обзор клинического применения ультразвуковой локализационной микроскопии сверхвысокого разрешения». Современная медицинская наука . 42 (1): 1–16. дои : 10.1007/s11596-021-2459-2 . ПМИД 35167000 . S2CID 246815755 .

[musli-1] Кутюр, Оливье; Бессон, Бенуа; Монтальдо, Габриэль; Финк, Матиас; Тантер, Микаэль (2011). «Микропузырьковая ультразвуковая визуализация суперлокализации (MUSLI)» . 2011 Международный симпозиум по ультразвуку IEEE . стр. 1285–1287. дои : 10.1109/ULTSYM.2011.6293576 . ISBN 978-1-4577-1252-4 .

[errico1-2] Jump up to: ^а ^б ^с Эррико, Клаудия; Пьер, Жюльетта; Пезе, Софи; Десайи, Янн; Ленкей, Жолт; Кутюр, Оливье; Тантер, Микаэль (ноябрь 2015 г.). «Сверхбыстрая ультразвуковая локализационная микроскопия для глубокой визуализации сосудов сверхвысокого разрешения». Природа . 527 (7579): 499–502. дои : 10.1038/nature16066 . ПМИД 26607546 . S2CID 4447059 .

[christensen1-3] Jump up to: ^а ^б ^с Кристенсен-Джеффрис, Кирстен; Кутюр, Оливье; Дейтон, Пол А.; Эльдар, Йонина С.; Хюнюнен, Куллерво; Кисслинг, Фабиан; О'Рейли, Миган; Пинтон, Джанмарко Ф.; Шмитц, Георг; Тан, Мэн-Син; Тантер, Микаэль; ван Слоун, Рууд Дж.Г. (апрель 2020 г.). «Ультразвуковая визуализация сверхвысокого разрешения» . Ультразвук в медицине и биологии . 46 (4): 865–891. doi : 10.1016/j.ultrasmedbio.2019.11.013 . ПМЦ 8388823 . ПМИД 31973952 .

[hahne2-4] Jump up to: ^а ^б ^с Хане, Кристофер; Шабу, Жорж; Шавиньон, Артур; Кутюр, Оливье; Шнитман, Рафаэль (2024). «RF-ULM: ультразвуковая локализационная микроскопия на основе радиочастотных волновых фронтов» (PDF) . Транзакции IEEE по медицинской визуализации : 1–1. дои : 10.1109/TMI.2024.3391297 .

[dencks1-5] Jump up to: ^а ^б Денкс, Стефани; Шмитц, Георг (август 2023 г.). «Ультразвуковая локализационная микроскопия» . Журнал медицинской физики . 33 (3): 292–308. дои : 10.1016/j.zemedi.2023.02.004 . ПМЦ 10517400 . ПМИД 37328329 .

[couture1-6] Кутюр, Оливье; Хингот, Винсент; Хайлес, Батист; Мулеки-Сея, Полина; Тантер, Микаэль (август 2018 г.). «Ультразвуковая локализационная микроскопия и сверхразрешение: современное состояние». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 65 (8): 1304–1320. дои : 10.1109/tuffc.2018.2850811 . ПМИД 29994673 .

[desailly1-7] Jump up to: ^а ^б ^с Десайи, Янн; Кутюр, Оливье; Финк, Матиас; Тантер, Микаэль (21 октября 2013 г.). «Соно-активируемая ультразвуковая локализационная микроскопия» (PDF) . Письма по прикладной физике . 103 (17). дои : 10.1063/1.4826597 .

[demene1-8] Демен, Чарли; Деффье, Томас; Перно, Матье; Османски, Бруно-Феликс; Биран, Валери; Генниссон, Жан-Люк; Сье, Лим-Анна; Бергель, Антуан; Франки, Стефани; Корреас, Жан-Мишель; Коэн, Иван; Бод, Оливье; Тантер, Микаэль (ноябрь 2015 г.). «Пространственно-временная фильтрация помех сверхбыстрых ультразвуковых данных значительно увеличивает чувствительность допплера и ультразвука». Транзакции IEEE по медицинской визуализации . 34 (11): 2271–2285. дои : 10.1109/tmi.2015.2428634 . ПМИД 25955583 . S2CID 2757005 .

[heiles1-9] Хайлес, Батист; Шавиньон, Артур; Хингот, Винсент; Лопес, Полина; Тестон, Элиотт; Кутюр, Оливье (17 февраля 2022 г.). «Анализ производительности алгоритмов локализации микропузырьков для ультразвуковой локализационной микроскопии» (PDF) . Природная биомедицинская инженерия . 6 (5): 605–616. дои : 10.1038/s41551-021-00824-8 . ПМИД 35177778 . S2CID 246943634 .

[hahne1-10] Jump up to: ^а ^б Хане, Кристофер; Шнитман, Рафаэль (2023). «Геометрическая ультразвуковая локализационная микроскопия». Вычисление медицинских изображений и компьютеризированное вмешательство – MICCAI 2023 (PDF) . Конспекты лекций по информатике. Том. 14229. стр. 217–227. arXiv : 2306.15548 . дои : 10.1007/978-3-031-43999-5_21 . ISBN 978-3-031-43998-8 .

[renaudin1-11] Реноден, Ноэми; Демене, Чарли; Дизё, Александр; Ялы-Радио, Натали; Пезе, Софи; Тантер, Микаэль (август 2022 г.). «Функциональная ультразвуковая локализационная микроскопия выявляет нейрососудистую активность всего мозга в микроскопическом масштабе» . Природные методы . 19 (8): 1004–1012. дои : 10.1038/s41592-022-01549-5 . ПМЦ 9352591 . ПМИД 35927475 .

[lowerison1-12] Jump up to: ^а ^б ^с ^д И, Хуэй-мин; Лоурисон, Мэтью Р.; Сун, Пэн-фэй; Чжан, Вэй (февраль 2022 г.). «Обзор клинического применения ультразвуковой локализационной микроскопии сверхвысокого разрешения». Современная медицинская наука . 42 (1): 1–16. дои : 10.1007/s11596-021-2459-2 . ПМИД 35167000 . S2CID 246815755 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]