Quelle: Amelia R. Adelsperger, Evan H. Phillips und Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana

Hochfrequente Ultraschallsysteme werden verwendet, um hochauflösende Bilder zu erfassen. Hier wird der Einsatz eines hochmodernen Systems demonstriert, um die Morphologie und Hämodynamik kleiner pulsatiler Arterien und Venen, die bei Mäusen und Ratten vorkommen, abzubilden. Ultraschall ist eine relativ kostengünstige, tragbare und vielseitige Methode zur nichtinvasiven Beurteilung von Gefäßen beim Menschen sowie bei großen und kleinen Tieren. Dies sind mehrere wichtige Vorteile, die Ultraound im Vergleich zu anderen Techniken bietet, wie Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Nahinfrarot-Fluoreszenztomographie (NIRF). CT erfordert ionisierende Strahlung und MRT kann in einigen Szenarien unerschwinglich teuer und sogar unpraktisch sein. NIRF hingegen wird durch die Eindringtiefe des Lichts begrenzt, die erforderlich ist, um die fluoreszierenden Kontrastmittel zu anregen.

Ultraschall hat Einschränkungen in Bezug auf die Bildtiefe; Dies kann jedoch durch das Opfern von Auflösung und die Verwendung eines Niederfrequenzwandlers überwunden werden. Bauchgas und überschüssiges Körpergewicht können die Bildqualität stark beeinträchtigen. Im ersten Fall ist die Ausbreitung von Schallwellen begrenzt, während sie im letzteren Fall durch darüber liegende Gewebe wie Fett und Bindegewebe abgeschwächt werden. Infolgedessen kann kein Kontrast oder schwacher Kontrast beobachtet werden. Schließlich ist Ultraschall eine stark benutzerabhängige Technik, die es dem Sonographen ermöglicht, sich mit der Anatomie vertraut zu machen und Probleme wie das Auftreten von bildgebenden Artefakten oder akustische Störungen zu umgehen.

Ultraschall ist eine häufige klinische bildgebende Modalität. Die Grundprinzipien des Ultraschalls beinhalten die Ausbreitung akustischer Wellen, ihre Interaktion mit Gewebe und die Aufzeichnung reflektierter und gestreuter Wellen (d.h. Echos). Kürzlich entwickelte Hochfrequenzwandler können akustische Wellen zwischen ca. 13–70 MHz aussenden. Beispielsweise hat ein Messumformer mit einem Frequenzbereich zwischen 22 und 55 MHz eine Mittenfrequenz von 40 MHz. Dieser Bereich ermöglicht eine räumliche Auflösung in der Größenordnung von 50 m in Richtung des Ultraschallstrahls und eignet sich damit für bildgebende Strukturen auf Millimeterskala. Zum Scannen sendet ein Messumformer zunächst einen Strahl akustischer Wellen aus. Einige dieser Wellen werden zurück zum Messumformer reflektiert, wenn sie mit einer Grenze zwischen zwei Geweben kollidieren, die unterschiedliche akustische Impedanzen haben. Die Transitzeit für eine Welle (d.h. die Zeit zwischen Emission und Detektion) wird verwendet, um einzelne horizontale Linien in einem Bild zu bestimmen. Die Streuung akustischer Wellen, d.h. die Ablenkung von Wellen in viele Richtungen, wenn sie mit Strukturen interagieren, die viel kleiner als die Wellenlänge sind, ist für den größten Teil der Ultraschallbildinformationen verantwortlich. Ein Teil dieser akustischen Wellenstreuung wird vom Messumformer aufgezeichnet und liefert die feinen Details in einem Ultraschallbild. Hochfrequente akustische Wellen haben eine geringere Tiefe Penetration aufgrund der höheren Dämpfung von Schall im Gewebe. Aus diesem Grund sind Hochfrequenzwandler nur für die Bildgebung bis zu einer Tiefe von 15-30 mm praktisch. In der Gefäßbildgebung tritt der Ultraschallbildkontrast entlang der Gefäßwände auf. Rote Blutkörperchen und Blutplättchen sorgen auch für einen speckigen Kontrast im Blut. Die Geschwindigkeit (v in cm/s) kann nach dem Prinzip des Dopplereffekts gemessen werden:

v = c - F / (2 x F_o , cos)

wobei c = Schallgeschwindigkeit im Gewebe (154 cm/s); F = Doppler-Schichtfrequenz (1/s); F_o = Sendefrequenz (1/s); und - = Winkel zwischen dem Ultraschallstrahl und der Richtung des Blutflusses. Doppler-Bildgebung von Gefäßen wird verwendet, um die Blutflussdynamik in gesunden und kranken Zuständen zu bewerten.

1. Image-Setup

1. Schalten Sie das Ultraschallsystem mit dem Schalter auf der Rückseite ein. Schalten Sie den Monitor ein.
2. Schließen Sie die physiologische Überwachungseinheit an und schalten Sie die Herzfrequenz- und Temperaturüberwachung ein. Schalten Sie den Gelwärmer ein und stellen Sie sicher, dass das Licht eingeschaltet ist.
3. Überprüfen Sie den Isoflurangehalt im Anästhetikum und füllen Sie ihn ggf. nach.
4. Schalten Sie Ihren O_2-Tank oder die gefilterte Luftquelle ein und stellen Sie den Luftstrom am Verdampfer auf ca. 1 l/min ein.
5. Schließen Sie die Maus- oder Rattenstufe an, und schließen Sie dann das VGA-Kabel an diese Stufe an. Sichern Sie den entsprechenden Nosecone an Ort und Stelle, und überprüfen Sie, ob die Isoflurane (schwarz) und Abgas (blaue) Rohre ordnungsgemäß mit Nosecone verbunden sind.
6. Wählen Sie einen Messumformer für Ihr Verfahren und schließen Sie ihn an den "aktiven" Anschluss unterhalb des Bildgebungssystems an. Führen Sie das Messumformerkabel durch Kunststoffhalter über der Sondenhalterung und befestigen Sie den Messumformer in der Klemme. Beachten Sie, dass es auf einer Seite jedes Messumformers eine kleine, erhöhte Linie gibt, um die Bildausrichtung zu bestimmen.
7. Anästhetisieren Sie das Tier nach AVMA-Richtlinien und bereiten Sie es für die Bildgebung vor. Fügen Sie den Augen eine ophthalmologische Salbe hinzu, sichern Sie die Pfoten an den Bühnenelektroden und entfernen Sie das Haar im Bereich des Interesses mit einer Enthaarungscreme. Bedecken Sie den zu bebildernden Bereich mit erwärmtem Ultraschall-Transducing-Gel.

2. Bildaufnahme

1. Beginnen Sie auf dem System eine neue Studie, indem Sie Neu und Studierenauswählen, oder suchen Sie eine Studie, die Sie zuvor begonnen haben, und wählen Sie Neu und Serieaus. Sobald Sie in einer neuen Serie sind, wählen Sie einen Benutzer aus dem Menü aus und benennen Sie Ihre Serie entsprechend.
2. Sobald Ihre Serie erstellt wurde, wählen Sie den B-Modus (Helligkeitsmodus) von der Tastatur aus. Alle Bildverarbeitungs-Modalitätstasten befinden sich in der unteren Reihe der schwarzen Tastatur.
3. Rollen Sie den Messumformer bis zur gewünschten Stelle und achten Sie darauf, auf den Bildschirm zu schauen, um zu vermeiden, dass das Tier zu viel Druck ausübt. Überprüfen Sie die Atemfrequenz (RR), die auch auf dem Bildschirm angezeigt wird, da zu viel Druck dazu führen kann, dass der RR sinkt.
4. Passen Sie beim Betrachten des B-Modus-Bildes die Platzierung des Messumformers an, indem Sie die auf der Bühne gefundenen x- und y-Achsenknöpfe vorsichtig drehen, bis Sie die gewünschte Position finden.
5. Sobald Sie die gewünschte Position haben, warten Sie, bis der weiße Balken am unteren Rand des Bildes gefüllt ist, bevor Sie Bildbeschriftung drücken, um das Bild zu speichern. Bei der Beschriftung Ihres Bildes wird die Art der Modalität neben dem Bildetikett auf dem Bildschirm für die Studienverwaltung angezeigt, sodass Sie sich keine Gedanken darüber machen müssen, dies in das Bildetikett einzutragen.
6. Wählen Sie für M-Modus-Bilder den M-Modus (Bewegungsmodus) von der Tastatur aus. Verwenden Sie SV-Tor, um die gelben Balken zu verengen oder zu verbreitern, und den Cursor, um die Balken über der gewünschten Position auszurichten. Sobald Sie richtig platziert sind, drücken Sie den M-Modus erneut. Die Platzierung der Balken kann im M-Modus angepasst werden.
7. Wählen Sie für die EKV-Bildgebung den B-Modus aus und stellen Sie sicher, dass Sie sich am richtigen Ort befinden. Wählen Sie dann EKV aus, passen Sie die Einstellungen an, und drücken Sie Scan. Die EKV-Modalität durchschnittlich viele B-Modus-Bilder über mehrere Herzzyklen.
8. Um Farbdoppler zu verwenden, wählen Sie B-Modusaus , überprüfen Sie, ob Sie sich an der richtigen Position befinden, und wählen Sie dann Farbeaus. Wählen Sie Aktualisieren aus, und bewegen Sie den Cursor nach oben, unten, links oder rechts, um die gewünschte Feldgröße zu erreichen, und wählen Sie Aktualisieren aus, um ihn zu sperren. Sie können dann den Cursor verwenden, um das Feld an die gewünschte Position zu verschieben. Das Drehen des Geschwindigkeitsreglers erhöht die Geschwindigkeitsschwelle und kann das Hintergrundsignal verringern.
9. Um gepulste Wellendoppler zur Messung der Durchblutungsgeschwindigkeit zu verwenden, ist es hilfreich, sich vor dem Drücken von PWzunächst im Farb-Doppler-Modus zu befinden. Es werden zwei gelbe, abgewinkelte Linien angezeigt. Der Benutzer muss die kürzere, gepunktete Linie so ausrichten, dass sie parallel zu den vorderen und hinteren Gefäßwänden verläuft, indem er den Balkenwinkel einstellt und den PW-Winkelknopf dreht. Die gepunktete, gelbe Linie wird blau, wenn der Winkel zwischen den beiden Linien zu groß ist. Sobald dies ausgerichtet ist, drücken Sie PW, und passen Sie dann die Steuerelemente Baseline, Velocity und Doppler Gain an, um die Wellenformen zu zentrieren und aufzuhellen.
10. Um den 3D-Modus zu verwenden, beginnen Sie im B-Modus und richten Sie die Sonde in der Mitte der Struktur aus, die Sie abbilden möchten. Verwenden Sie Atemverzierung und EKG-Trigger für kardiovaskuläre Anwendungen. Drücken Sie 3D und legen Sie den gewünschten Scanabstand und die Schrittgröße fest. Sobald der Scan abgeschlossen ist, klicken Sie auf In 3D laden, um Ihre 3D-Daten zu visualisieren.
11. Sie können Ihre aufgenommenen Bilder jederzeit während der Bildgebung anzeigen, indem Sie von der oberen rechten Seite der beiden Spalten mit Schaltflächen auf der linken Seite das Studienmanagement drücken.
12. Wenn Sie mit dem Erfassen von Bildern in einer Serie fertig sind, wählen Sie Auf dem Bildschirm für die Studienverwaltung die Option Serie schließen aus. Sie können nun bei Bedarf eine neue Serie in Ihrer Studie eröffnen.

3. Datenübertragung und Bereinigung

1. Um Daten für die Analyse zu übertragen, wählen Sie die Studien oder einzelnen Reihen aus, die Sie kopieren möchten, aus dem Studienmanagement-Bildschirm.
2. Klicken Sie auf Kopieren in der oberen rechten Ecke auf dem Bildschirm für die Studienverwaltung. Wählen Sie den gewünschten Dateispeicherort aus, und drücken Sie "OKAY".
3. Sie können nun das Anmial entfernen und es in sein Gehäuse zurückbringen, um es wiederzuerlangen.
4. Um den Ultraschall-Setup zu reinigen, sprühen Sie ein Papiertuch mit T-Spray und wischen Sie die beheizte Stufe und die Rektalsonde ab. Sprühen Sie das Desinfektionsmittel niemals direkt auf die Bühne.
5. Der Messumformer sollte mit 70% Ethanol auf einem Papiertuch abgewischt werden, bevor er wieder in den Halter gelegt wird.
6. Um die Luft auszuschalten, schalten Sie den O2-Tank oder die gefilterte Luftquelle aus. Sie sollten sehen, dass die Luftstromperle langsam auf 0 auf dem Verdampfer fällt.
7. Sobald Sie mit dem System fertig sind, klicken Sie auf die Ein-/Aus-Taste auf dem Bildschirm für die Studienverwaltung in der oberen rechten Ecke und lassen Sie den Monitor vollständig ausschalten.
8. Schalten Sie den Ein-/Ausschalter auf der Rückseite des Systems erst aus, nachdem der Monitor vollständig ausgeschaltet ist. Sie sollten den Lüfter anhalten hören, sobald er ordnungsgemäß heruntergefahren wurde.

Dieses Verfahren ermöglichte die anatomische und funktionelle Bildgebung der Bauchaorta. Das Erfassen von Echtzeitbildern in Kurz- und Langachse per B-Modus, M-Modus und Doppler-Ultraschall dauert mindestens 30 Minuten und erfordert daher eine sorgfältige Überwachung des anästhesierten Tieres. Einige Daten werden im Flug leicht analysiert, z. B. zweidimensionale B-Modus-Scans (Abb. 1). Diese Daten können Aortendurchmesser- oder Querschnittsflächenmessungen liefern. Andere Daten, wie der dreidimensionale B-Modus (Abb. 2), der M-Modus (Abb. 3), der Farbdoppler (Abb. 4) und der PW Doppler-Bilder (Abb. 5), werden in der Regel offline analysiert, um Aortenvolumen, umfanghliche zyklische Dehnung und Durchblutungsgeschwindigkeit zu bestimmen. Zusammen liefern diese Datensätze quantitative und qualitative Informationen über die dreidimensionale Morphologie sowie die Hämodynamik und Pulsatilität der Bauchaorta.

Abbildung 1: Sezieren von Aortenaneurysmus in einer Maus. Die Selleriearterie und die überlegene mesenterische Arterie sind zu sehen, wie sie sich von der Oberseite des Gefäßes verzweigen. Das EKG-Signal der Maus (grüne Linie) und das Beatmungssignal (gelbe Linie) sind unter dem Bild dargestellt.

Abbildung 2: Bewegungsmodus (M-Modus) Spur der suprarenalen Aorta in einer gesunden Maus. Über den eindimensionalen M-Modus-Daten wird ein B-Modus-Scout-Bild angezeigt, das in anteroposterior-Richtung erfasst wird. Die M-Modus-Daten zeigen pulsatile Bewegung, insbesondere in der vorderen Wand. Dies deutet darauf hin, dass Messungen der Schiffsdehnung normal sein werden.

Abbildung 3: Volumen-Renderings (Cyan-Netz) einer Maus-Suprarenal-Aorta mit (links) und ohne (rechts) ein sezierendes Abdominalaortenaneurysm. Ultraschalldaten von einer koronalen Ebene werden angezeigt und der Kopf des Tieres befindet sich in Richtung der Oberseite des Bildschirms. Das Aneurysm hat sich nach links ausgebreitet und das Volumen und der maximale Aortendurchmesser sind deutlich größer als vor der Ausdehnung.

Abbildung 4: Farbdopplerbild einer gesunden suprarenalen Aorta. Der Kopf der Maus ist nach links, der Schwanz ist nach rechts, und das Tier ist supine positioniert. Die EKG-Signale der Maus (grün) und die Atemwege (gelb) werden unter dem Bild dargestellt. Die Skala auf der linken Seite quantifiziert die Geschwindigkeit des Blutflusses nach Farbe. Roter Fluss ist in Richtung des Messumformers, während der blaue Fluss vom Messumformer entfernt ist. Die Skala auf der rechten Seite stellt die Tiefe in mm dar.

Abbildung 5: Pulsed Wave (PW) Bild einer gesunden suprarenalen Aorta. Der gelbe Cursor wird parallel zu den Gefäßwänden in der Mitte der Aorta platziert. Der Farbdopplermodus hilft dem Benutzer zu entscheiden, wo er ein starkes Signal aufnehmen wird. Die Geschwindigkeitswellenformen werden unter dem Bild dargestellt. Die Skala auf der rechten Seite der Spitzen ist die Durchblutungsgeschwindigkeit in mm/s. Die scharfen Spitzen stellen den arteriellen Fluss dar.

Neu entwickelte Hochfrequenz-Ultraschallwandler eignen sich gut für die Visualisierung kleiner Strukturen bis zu einer Tiefe von bis zu 3 cm. Hier wurde die Vielseitigkeit eines Kleintier-Ultraschallsystems demonstriert, um in vivo bildgebende Daten der Dynamik der Mausaorta zu erfassen. Diese Technik erfordert Die Praxis und Erkennung von häufigen Schwierigkeiten, wie Bauchschatten und Doppler-Scan-Ausrichtung. Trotz dieser Einschränkungen ist es eine leistungsstarke und vielseitige Technik, um schnell nicht-invasive bildgebende Daten zu erhalten. Wichtig ist, dass sich diese Technik gut für die serielle Bildgebung desselben Tieres eignet, um Längsinalstudien über das Fortschreiten der Krankheit oder Behandlung durchzuführen.

Kleintier-Hochfrequenz-Ultraschall kann in einer Vielzahl von kardiovaskulären Anwendungen verwendet werden. Zu den vaskulären Anwendungen gehören das Screening auf Aortenerkrankungen (z. B. Aortenaneurysmen und Sezieren), der Nachweis atherosklerotischer Plaque und die Messung des Blutflusses bei Patienten mit peripheren arteriellen Erkrankungen. Karotisarterien, Iliasarterien und die untere Vena cava können leicht mit Ultraschall abgebildet werden. Die kardiale Bildgebung ist auch eine wichtige Anwendung dieser Technik und wird verwendet, um die Vorhöfe und Ventrikel von Mäusen oder Rattenherzen zu visualisieren. Die kardiale Ultraschall-Bildgebung kann dem Benutzer eine Menge Informationen über das Herz geben, einschließlich anatomischer Abmessungen, Kontraktilität, Steifigkeit, Herzleistung, Strömungsmuster, Ventilfunktion und/oder Thrombusbildung, um nur einige zu nennen. Ultraschall kann auch für die Bildgebung des Fortpflanzungssystems (wie Gebärmutter und Gebärmutterhals) oder auf der Blase verwendet werden. Reproduktionssystem-Bildgebung wäre nützlich, um die Strukturen der Gebärmutter, des Gebärmutterhalses und/oder der Vagina zu betrachten und zu erhalten. Welpen könnten auch visualisiert und bei einer trächtigen Maus oder Ratte gemessen werden. Aufgrund der Fortschritte in der Messtechnik und Innovationen in der Ultraschalltechnologie funktionieren diese Anwendungen gut bei Kleintieren und können auch auf oberflächliche menschliche Bildgebung anwendbar sein.