Особая ветвь ультразвука с контрастным усилением , акустическая ангиография, представляет собой минимально инвазивный и неионизирующий метод медицинской визуализации, используемый для визуализации сосудистой сети. [1] Акустическая ангиография была впервые разработана в Дейтонской лаборатории Университета штата Северная Каролина. [1] и обеспечивает безопасную, портативную и недорогую альтернативу наиболее распространенным методам ангиографии, таким как магнитно-резонансная ангиография и компьютерная томографическая ангиография . Хотя ультразвук традиционно не обладает таким высоким разрешением, как МРТ или КТ, высокочастотный ультразвук (HFU) достигает относительно высокого разрешения за счет некоторой глубины проникновения. [2] HFU обычно использует волны частотой от 20 до 100 МГц и достигает разрешения 16–80 мкм на глубине 3–12 мм. [2] Хотя HFU продемонстрировал адекватное разрешение для мониторинга таких процессов, как рост опухолей в слоях кожи, [2] сам по себе ему не хватает глубины и контрастности, необходимых для визуализации кровеносных сосудов. [3] Акустическая ангиография преодолевает недостатки HFU, сочетая ультразвук с контрастным усилением и использование двухэлементного ультразвукового датчика для достижения визуализации кровеносных сосудов с высоким разрешением на относительно глубоких уровнях проникновения.
Акустическая ангиография проводится путем предварительного введения специально разработанных микропузырьков в сосуды с низкой резонансной частотой. Далее используется низкочастотный преобразовательный элемент с хорошей глубиной проникновения для подачи ультразвуковых волн в образец на резонансной частоте микропузырьков. [3] Это вызовет реакцию микропузырьков, состоящую из субгармонических, основных и супергармонических частот, а также реакцию окружающей ткани, состоящую только из основной частоты и второй гармоники. [1] Наконец, высокочастотный датчик с высоким разрешением используется для измерения частот супергармоник, эффективно удаляя любой фоновый сигнал из сигнала микропузырьков и позволяя визуализировать сосуды. [3]
Ангиография , или исследование кровеносных сосудов, имеет важное значение во многих областях исследований и клинической практики. В частности, ангиография необходима для мониторинга ангиогенеза , то есть роста и развития новых кровеносных сосудов. Ангиогенез — важнейший процесс, который чаще всего наблюдается при росте органов у плодов и детей, развитии плаценты у взрослых и заживлении ран. [4] Однако чрезмерный ангиогенез наблюдался при десятках заболеваний, включая диабет, эндометриоз, аутоиммунные заболевания и астму. [4] Ангиография использовалась для исследования, диагностики и лечения многих из этих заболеваний. Возможно, наиболее важным применением ангиографии для мониторинга ангиогенеза является рост опухоли. Опухоли могут существовать месяцами или даже годами на неангиогенной стадии развития и начинают быстрый рост только после выраженного ангиогенного фенотипа. [5] Таким образом, ангиогенез стал мишенью для некоторых методов лечения рака. Некоторые методы лечения направлены на содействие организованному развитию кровеносных сосудов в областях опухоли, что позволяет обеспечить более гомогенное и эффективное распределение химиотерапии. [6] Другие методы направлены на полное блокирование начала или прогрессирования ангиогенеза. [7] В обоих случаях ангиография необходима для измерения роста, рецессии или формы кровеносных сосудов in vivo с течением времени во время лечения и связанных с ним исследований. [7]
В настоящее время наиболее распространенными методами ангиографии являются рентгеновская КТ и МРТ . Однако в особых случаях для проведения ангиографии используются многие другие методы, например, использование оптической когерентной томографии для выполнения ангиографии во время обследования сетчатки. [8] МРТ-ангиография обеспечивает самое высокое разрешение среди современных ангиографических методов. [7] и часто может выполняться без использования контрастных веществ путем изменения последовательности импульсов для визуализации таких аспектов сосудов, как кровоток. [9] С другой стороны, рентгеновская КТ-ангиография требует использования контрастного вещества , но при этом сохраняет относительно высокое разрешение. [10] Несмотря на высокое качество изображений, полученных с помощью обоих этих методов, остаются существенные недостатки. Оба метода относительно медленны и требуют дорогостоящего оборудования, в то время как рентгеновская КТ также подвергает пациентов потенциально вредному ионизирующему излучению. Таким образом, по-прежнему существует потребность в недорогом, портативном и безопасном устройстве для ангиографии. Акустическая ангиография способна удовлетворить эту потребность. Используя микропузырьки в качестве контрастного вещества и двухэлементный преобразователь для идентификации сигнала, акустическая ангиография обеспечивает глубину, контрастность сосудов и разрешение, недоступные при использовании других ультразвуковых методов.
Ультразвуковые контрастные вещества — это частицы, используемые при ультразвуковом сканировании для улучшения контрастности изображения. Первое сообщение об использовании контрастного вещества для ультразвука было сделано доктором Раймондом Грамиаком и Правином Шахом в 1968 году, когда они вводили физиологический раствор в корень аорты сердца и наблюдали усиление контраста. [11] Они предположили, что увеличение контрастности было результатом «мини-пузырьков, образовавшихся в результате высокой скорости инъекции или, возможно, включенных в контрастное вещество». Хотя большинство ультразвуковых контрастных веществ имеют форму микропузырьков , существуют и другие типы, такие как наночастицы перфторуглерода или эхогенные липосомы. [12]
Микропузырьковые контрастные вещества обычно состоят из трех основных компонентов: [13]
Внутренний газ: Газ внутри микропузырька обычно представляет собой воздух или перфторуглерод.
Липидная оболочка: эта оболочка служит для заключения внутри себя газа и всегда состоит из липидов из-за их гидрофобных свойств.
Лиганды. В случае активно нацеленных микропузырьков лиганды прикрепляются к внешней поверхности липидной оболочки. Эти лиганды специфичны для мембранных рецепторов в организме и могут использоваться для воздействия на определенные физиологические процессы (например, воспаление) или органы. В случае пассивно нацеленных микропузырьков к внешней оболочке не прикрепляются лиганды, и вместо этого микропузырьки полагаются на такие факторы, как поверхностный заряд, чтобы прилипнуть к эндотелию . [12]
Микропузырьки действуют как контрастные агенты при ультразвуке по двум основным причинам: большая разница в акустическом импедансе между тканями тела и микропузырьками и их свойство иметь резонансную частоту обычно ниже 10 МГц. Из-за большего несоответствия акустических импедансов микропузырьки являются почти идеальными отражателями ультразвуковых волн в организме. Это позволяет им быть точечными источниками акустических волн. Кроме того, на своей резонансной частоте микропузырьки имеют широкополосную частотную характеристику относительно большой величины, которая улавливается ультразвуковым преобразователем.
В классическом ультразвуке с контрастным усилением существует множество методов разделения сигнала, отраженного микропузырьками, и сигнала, отраженного окружающими тканями тела. Большинство этих методов используют субгармонический и супергармонический отклик микропузырьков, а также нелинейный отклик микропузырьков на ультразвуковые волны в отличие от линейного ответа тканей тела на ультразвуковые волны. Некоторые из наиболее распространенных методов фильтрации перечислены ниже.
Фильтрация субгармоник: фильтрация всех сигналов, кроме сигналов субгармоник. Поскольку ткань обычно не имеет субгармонического ответа, остается только сигнал микропузырьков. Однако, поскольку он фильтрует низкочастотные сигналы, разрешение немного ухудшается, поскольку пространственное разрешение ультразвука зависит от акустической частоты.
Супергармоническая фильтрация. Подобно субгармонической фильтрации, она работает путем фильтрации всех частот, кроме супергармонических, которые в основном излучаются микропузырьками, а не окружающими тканями. В отличие от фильтрации субгармоник, разрешение фактически улучшается, поскольку принимается только высокочастотный отклик. Однако большинство клинических датчиков не имеют необходимой для этого широкой полосы пропускания. [12]
Это демонстрирует фундаментальный физический процесс визуализации структур кровеносных сосудов при акустической ангиографии. Инверсия фазы: этот метод фильтрации использует характерную нелинейную реакцию микропузырьков на ультразвуковые волны. Здесь нелинейный отклик означает, что фаза и величина акустической волны, отраженной микропузырьком, не имеют линейной зависимости с фазой и величиной возбуждающей акустической волны. В этом методе преобразователь излучает два импульса с противоположной фазой. Линейный отклик ткани вызовет в основном деструктивную интерференцию противофазных волн, тогда как нелинейный отклик микропузырьков позволит пройти некоторому сигналу.
С созданием двухэлементного преобразователя эти методы фильтрации уже не являются критичными. Это то, что отличает акустическую ангиографию от более общего ультразвукового исследования с контрастным усилением. Элемент с центром на низкой частоте служит для возбуждения микропузырьков на их резонансной частоте, тогда как элемент с центром на высокой частоте получает супергармонический отклик микропузырьков. [14] Поскольку ткань возбуждается низкочастотным входным сигналом и не производит высокочастотного отклика, единственный отклик, получаемый двухэлементным датчиком, — это ответ, исходящий от микропузырьков. Таким образом, для удаления сигнала ткани из полученных данных практически не требуется обработка сигнала.
Поскольку внутренний элемент предназначен только для приема, а внешний элемент предназначен только для передачи, можно выбрать специальные материалы для оптимизации эффективности и чувствительности этого процесса. Цирконат-титанат свинца (ЦТС) хорошо подходит в качестве материала для передающего элемента, поскольку он имеет высокую константу передачи (d = 300 x 10^-12 м/В), тогда как поливинилиденфторид (ПВДФ) хорошо работает в качестве материала для приемного элемента. элемент, поскольку он имеет высокую константу приема (g = 14 x 10^-2 Вм/Н). Как правило, ПВДФ не является хорошим выбором для ультразвукового преобразователя, поскольку он имеет относительно низкую константу передачи, однако, поскольку акустическая ангиография разделяет передающий и принимающий элементы, это больше не является проблемой.
Воблер против конфигураций механического сканирования с линейной разверткой
Поскольку в акустической ангиографии используется двухэлементный ультразвуковой датчик в формате сфокусированного ультразвукового датчика, невозможно сформировать массив датчиков, как это можно сделать в других формах ультразвуковой визуализации . Таким образом, изображения акустической ангиографии формируются путем объединения нескольких a-режимов. [15] изображения, где каждая a-мода представляет собой одномерное изображение, определяющее акустические границы вдоль вектора, исходящего от преобразователя.
Для формирования двух- или трехмерных изображений необходимо механически манипулировать положением и углом преобразователя и получаемым изображением в а-режиме. Две распространенные конфигурации, используемые для получения этих изображений в а-режиме, включают конфигурацию воблера и конфигурацию механического развертки.
В конфигурации воблера зонд вращается взад и вперед вокруг центральной оси в одной плоскости так, что a-сканы ориентированы радиально, а поле зрения или область, которую можно отобразить, представляет собой конус. Это позволяет очень быстро получать а-сканы, но имеет неоднородное разрешение, поскольку расстояние между каждой точкой соседних а-сканов увеличивается с глубиной.
В конфигурации с линейной разверткой ультразвуковой датчик механически перемещается либо с помощью внешнего механизма, либо вручную в направлении, ортогональном направлению a-сканирования. Эта конфигурация обеспечивает относительно стабильное разрешение в зависимости от глубины, поскольку каждая точка соседних a-сканов находится на равном расстоянии .
После сбора данных, как описано выше, их можно обработать для формирования различных типов изображений, включая проекции и объемную реконструкцию.
Проекция максимальной амплитуды или проекция максимальной интенсивности — это метод обработки изображений, используемый для проецирования трехмерных данных на двухмерное изображение. Это ценный инструмент, поскольку он позволяет формировать сложные данные в более понятные изображения, включающие восприятие глубины.
Этот простой метод реконструкции изображения позволяет легко формировать и интерпретировать проекционные изображения, сформированные из акустических сигналов.
Объемная визуализация преобразует объемные данные в проекционные изображения. Большинство методов используют данные, полученные в более низких измерениях, для создания вокселей , объемных пикселей, которые при объединении могут формировать трехмерные изображения. [16]
Методы объемной реконструкции используются для преобразования нескольких 1D- или 2D-изображений в 3D-объемы. Общие методы реконструкции объема включают в себя методы ближайших соседей пикселей, ближайших соседей вокселей, взвешенные по расстоянию вокселы и методы, основанные на функциях, используемые для статистического вывода значения данного воксела. [17]
Поскольку акустическая ангиография в настоящее время находится в стадии разработки, этот конкретный вариант ультразвукового исследования с контрастным усилением в настоящее время не используется в клинических условиях. Большая часть предыдущих работ с использованием акустической ангиографии изучала ангиогенез на животных моделях в исследовательских целях.
Хотя FDA одобрило использование ультразвука с контрастным усилением только в одном клиническом применении в США, [1] эхокардиография , более широкий метод использовался по всей Европе и Азии с большим успехом в различных клинических применениях. Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с текущими применениями ультразвука с контрастным усилением . [18]
В настоящее время исследуются клинические применения
Единственное применение акустической ангиографии, которое на сегодняшний день исследовалось в клинических условиях, изучало ангиогенез в периферической сосудистой сети ткани молочной железы человека. [12] В этом исследовании изучалось, можно ли использовать акустическую ангиографию для уменьшения необходимости биопсии ткани молочной железы при диагностике злокачественных поражений ткани молочной железы или нет.
Используя акустическую ангиографию, авторы собрали и реконструировали трехмерные объемы, связанные с сосудистой сетью, окружающей поражения молочной железы. Эти реконструированные объемы затем были проанализированы на плотность сосудов и извилистость . Эта информация полезна для диагностики, поскольку было показано, что когда эти два фактора усиливаются в сосудистой сети, окружающей поражение, существует повышенный риск того, что поражение станет раковым. [12]
^ Перейти обратно: а б с Шелтон, С.Э., Линдси, Б.Д., Цурута, Дж.К., Фостер, Ф.С., и Дейтон, Пенсильвания (2016). Молекулярно-акустическая ангиография: новый метод сверхгармонической ультразвуковой молекулярной визуализации высокого разрешения. Ультразвук в медицине и биологии, 42 (3), 769-781. https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2015.10.015
^ Фолкман, Дж. (1995). Ангиогенез при раковых, сосудистых, ревматоидных и других заболеваниях. Природная медицина, 1(1), 27-30. https://doi.org/10.1038/nm0195-27
^ Май, Э., Папиерник, Д., и Ветшик, Дж. (2016). Антиангиогенное лечение рака: великое открытие и большая сложность (обзор). Международный журнал онкологии, 49 (5), 1773–1784. https://doi.org/10.3892/ijo.2016.3709
^ Перейти обратно: а б с Унгерсма С.Е., Пачеко Г., Хо К., Йи С.Ф., Росс Дж., Ван Брюгген Н., Пил Ф.В., Росс С. и Карано РАД (2010). Визуализация сосудов с анализом жизнеспособных опухолей для количественной оценки опухолевого ангиогенеза. Магнитный резонанс в медицине, 63 (6), 1637–1647. https://doi.org/10.1002/mrm.22442
^ Кашани, А.Х., Чен, К.-Л., Гам, Дж.К., Чжэн, Ф., Рихтер, Г.М., Розенфельд, П.Дж., Ши, Ю. и Ван, Р.К. (2017). Оптическая когерентная томография-ангиография: всесторонний обзор современных методов и клинического применения. Прогресс в исследованиях сетчатки и глаз, 60, 66–100. https://doi.org/10.1016/j.preteyeres.2017.07.002
^ Кумамару, К.К., Хоппель, Б.Е., Мазер, RT, и Рыбицки, FJ (2010). КТ-ангиография: современные технологии и клиническое использование. Радиологические клиники Северной Америки, 48(2), 213-235. https://doi.org/10.1016/j.rcl.2010.02.006
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: 3b33849ed4667f0ad6cca503cd028499__1714970700 URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/3b/99/3b33849ed4667f0ad6cca503cd028499.html Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Acoustic angiography - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)
