Imaging a ultrasuoni ad alta frequenza dell'aorta addominale

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

I sistemi a ultrasuoni ad alta frequenza vengono utilizzati per acquisire immagini ad alta risoluzione. Qui, verrà dimostrato l'uso di un sistema all'avanguardia per immaginare la morfologia e l'emodinamica di piccole arterie e vene pulsatili presenti in topi e ratti. Gli ultrasuoni sono un metodo relativamente economico, portatile e versatile per la valutazione non invasiva dei vasi negli esseri umani e negli animali grandi e piccoli. Questi sono diversi vantaggi chiave che l'ultraound offre rispetto ad altre tecniche, come la tomografia computerizzata (CT), la risonanza magnetica (MRI) e la tomografia a fluorescenza nel vicino infrarosso (NIRF). La TC richiede radiazioni ionizzanti e la risonanza magnetica può essere proibitivamente costosa e persino poco pratica in alcuni scenari. NirF, d'altra parte, è limitato dalla profondità di penetrazione della luce necessaria per eccitare gli agenti di contrasto fluorescenti.

Gli ultrasuoni hanno limitazioni in termini di profondità di imaging; tuttavia, questo può essere superato sacrificando la risoluzione e utilizzando un trasduttore a bassa frequenza. Il gas addominale e l'eccesso di peso corporeo possono ridurre gravemente la qualità dell'immagine. Nel primo caso, la propagazione delle onde sonore è limitata, mentre nel secondo caso, sono attenuate da tessuti sovrastante, come grasso e tessuto connettivo. Di conseguenza, non si può osservare alcun contrasto o debole contrasto. Infine, l'ecografia è una tecnica altamente dipendente dall'utente, che richiede all'ecografista di avere familiarità con l'anatomia e di essere in grado di aggirare problemi, come la comparsa di artefatti di imaging o interferenze acustiche.

L'ecografia è una modalità di imaging clinico comune. I principi fondamentali degli ultrasuoni riguardano la propagazione delle onde acustiche, la loro interazione con i tessuti e la registrazione di onde riflesse e sparse (cioè echi). I trasduttori ad alta frequenza di recente sviluppo possono emettere onde acustiche tra circa 13-70 MHz. Ad esempio, un trasduttore con una gamma di frequenze compresa tra 22 e 55 MHz ha una frequenza centrale di 40 MHz. Questa gamma consente una risoluzione spaziale dell'ordine di 50 μm nella direzione del fascio di ultrasuoni, rendendolo adatto per l'imaging di strutture su scala millimetrica. Per eseguire la scansione, un trasduttore emette prima un fascio di onde acustiche. Alcune di queste onde vengono riflesse al trasduttore quando si scontrano con un confine tra due tessuti, che hanno impedenze acustiche diverse. Il tempo di transito per un'onda (cioè il tempo tra l'emissione e il rilevamento) viene utilizzato per determinare le singole linee orizzontali in un'immagine. La dispersione delle onde acustiche, cioè la deflessione delle onde in molte direzioni quando interagiscono con strutture molto più piccole della lunghezza d'onda, è responsabile della maggior parte delle informazioni sull'immagine ad ultrasuoni. Parte di questa dispersione di onde acustiche viene registrata dal trasduttore, fornendo i dettagli all'interno di un'immagine ad ultrasuoni. Le onde acustiche ad alta frequenza hanno una minore penetrazione in profondità a causa della maggiore attenuazione del suono nei tessuti. Per questo motivo, i trasduttori ad alta frequenza sono pratici solo per l'imaging fino a una profondità di 15-30 mm. Nell'imaging vascolare, il contrasto dell'immagine ad ultrasuoni appare lungo le pareti dei vasi. I globuli rossi e le piastrine forniscono anche un contrasto di macchie all'interno del sangue. La velocità (v in cm/s) può essere misurata secondo il principio dell'effetto Doppler:

v = c × ΔF / (2 × F_o × cosθ)

dove c = velocità del suono nei tessuti (154 cm/s); ΔF = frequenza di spostamento Doppler (1/s); F_o = frequenza di trasmissione (1/s); e θ = angolo tra il fascio di ultrasuoni e la direzione del flusso sanguigno. L'imaging Doppler dei vasi viene utilizzato per valutare le dinamiche del flusso sanguigno in stati sani e malati.

1. Configurazione dell'immagine

1. Accendere il sistema ad ultrasuoni utilizzando l'interruttore sul retro. Accendere il monitor.
2. Collegare l'unità di monitoraggio fisiologico e attivare il monitoraggio della frequenza cardiaca e della temperatura. Accendi lo scalda gel e assicurati che la luce sia accesa.
3. Controllare il livello di isoflurano nel vaporizzatore anestetico e ricaricare se necessario.
4. Accendere il serbatoio O₂ o la sorgente d'aria filtrata e regolare il flusso d'aria sul vaporizzatore a circa 1 L/min.
5. Collegare lo stadio del mouse o del ratto, quindi collegare il cavo VGA a tale stadio. Fissare il naso corrispondente in posizione e verificare che i tubi isoflurano (nero) e gas di scarico (blu) siano correttamente collegati al naso.
6. Scegliere un trasduttore da utilizzare per la procedura e collegarlo alla porta "attiva" sotto il sistema di imaging. Far passare il cavo del trasduttore attraverso supporti in plastica sopra il supporto della sonda e fissare il trasduttore nel morsetto. Nota che c'è una piccola linea rialzata su un lato di ciascun trasduttore per determinare l'orientamento dell'immagine.
7. Anestetizzare l'animale secondo le linee guida AVMA e prepararlo per l'imaging. Aggiungere unguento oftalmico agli occhi, fissare le zampe agli elettrodi del palcoscenico e rimuovere i capelli nell'area di interesse utilizzando una crema depilatoria. Coprire l'area da image con gel trasduttore ad ultrasuoni riscaldato.

2. Acquisizione di immagini

1. Sul sistema, inizia un nuovo studio selezionando Nuovo e Studia, oppure trova uno studio che hai iniziato in precedenza e seleziona Nuovo e Serie. Una volta in una nuova serie, seleziona un utente dal menu e assegna un nome appropriato alla tua serie.
2. Una volta creata la serie, selezionare la modalità B (modalità luminosità) dalla tastiera. Tutti i tasti delle modalità di imaging si trovano nella riga inferiore della tastiera nera.
3. Arrotolare il trasduttore nella posizione desiderata assicurandosi di guardare lo schermo per evitare di applicare troppa pressione all'animale. Controlla anche la frequenza respiratoria(RR)che appare sullo schermo, perché troppa pressione può causare la caduta della RR.
4. Mentre guardi l'immagine in modalità B, regola il posizionamento del trasduttore ruotando delicatamente le manopole degli assi x e y che si trovano sullo stage fino a trovare la posizione desiderata.
5. Una volta che hai la posizione desiderata, attendi che la barra bianca nella parte inferiore dell'immagine si riempia prima di premere Etichetta immagine per salvare l'immagine. Quando si etichetta l'immagine, il tipo di modalità verrà indicato accanto all'etichetta dell'immagine nella schermata di gestione dello studio, quindi non è necessario preoccuparsi di includerlo nell'etichetta dell'immagine.
6. Per le immagini in modalità M, selezionare M-mode (modalità movimento) dalla tastiera. Utilizzare SV gate per restringere o allargare le barre gialle e il cursore per allineare le barre sulla posizione desiderata. Una volta posizionato correttamente, premere di nuovo la modalità M. Il posizionamento delle barre può essere regolato in modalità M.
7. Per l'imaging EKV, selezionare la modalità B e assicurarsi di trovarti nella posizione corretta. Quindi selezionare EKV, regolare le impostazioni e premere Scansione. La modalità EKV media molte immagini in modalità B su diversi cicli cardiaci.
8. Per utilizzare il color doppler, selezionare B-mode, verificare di trovarsi nella posizione corretta e quindi selezionare Colore. Selezionare Aggiorna e spostare il cursore verso l'alto, verso il basso, a sinistra o a destra per ottenere le dimensioni desiderate della casella, quindi selezionare Aggiorna per bloccarlo. È quindi possibile utilizzare il cursore per spostare la casella nella posizione desiderata. Ruotando la manopola Velocity aumenta la soglia di velocità e può diminuire il segnale di fondo.
9. Per utilizzare il doppler a onde pulsata per misurare la velocità del flusso sanguigno, è utile essere prima in modalità Doppler a colori prima di premere PW. Appariranno due linee gialle angolate. L'utente deve allineare la linea tratteggiata più corta in modo che sia parallela alle pareti del vaso anteriore e posteriore regolando l'angolo del fascio e ruotando la manopola PW Angle. La linea gialla tratteggiata diventerà blu se l'angolo tra le due linee è troppo grande. Una volta allineato, premere PW, quindi regolare i controlli Baseline, Velocity e Doppler Gain per centrare e illuminare le forme d'onda.
10. Per utilizzare la modalità 3D, iniziare in modalità B e allineare la sonda al centro della struttura che si desidera immaginare. Utilizzare gating respiratorio e ECG-trigger per applicazioni cardiovascolari. Premere 3D e impostare la distanza di scansione desiderata e la dimensione del passo. Una volta completata la scansione, fare clic su Carica in 3D per visualizzare i dati 3D.
11. È possibile visualizzare le immagini acquisite in qualsiasi momento durante l'imaging premendo Gestione studio dall'alto a destra delle due colonne di pulsanti sul lato sinistro.
12. Al termine dell'acquisizione di immagini in una serie, selezionare Chiudi serie dalla schermata di gestione dello studio. Ora puoi aprire una nuova serie all'interno del tuo studio, se necessario.

3. Trasferimento e pulizia dei dati

1. Per trasferire i dati per l'analisi, selezionare gli studi o le singole serie che si desidera copiare dalla schermata di gestione dello studio.
2. Fai clic su Copia nell'angolo in alto a destra nella schermata di gestione dello studio. Selezionare la posizione del file desiderato e premere OK.
3. Ora puoi rimuovere l'anmiale e restituirlo al suo alloggiamento per recuperarlo.
4. Per pulire la configurazione degli ultrasuoni, spruzzare un tovagliolo di carta con T-spray e pulire il palco riscaldato e la sonda rettale. Non spruzzare mai il disinfettante direttamente sul palco.
5. Il trasduttore deve essere rimosso con etanolo al 70% su un tovagliolo di carta prima di essere riposto nel supporto.
6. Per spegnere l'aria, spegnere il serbatoio O2 o la fonte d'aria filtrata. Dovresti vedere il perline del flusso d'aria scendere lentamente a 0 sul vaporizzatore.
7. Una volta terminato il sistema, fai clic sul pulsante di accensione nella schermata di gestione dello studio nell'angolo in alto a destra e consenti al monitor di spegnersi completamente.
8. Spegnere il pulsante di accensione sul retro del sistema solo dopo che il monitor è completamente spento. Dovresti sentire la ventola fermarsi una volta che è stata correttamente spenta.

Questa procedura ha permesso l'imaging anatomico e funzionale dell'aorta addominale. L'acquisizione di immagini in tempo reale in asse corto e lungo mediante ultrasuoni B-mode, M-mode e Doppler richiede almeno trenta minuti e quindi richiede un attento monitoraggio dell'animale anestetizzato. Alcuni dati vengono prontamente analizzati al volo, come le scansioni bidimensionali in modalità B (Fig. 1). Questi dati possono fornire misurazioni del diametro aortico o dell'area della sezione trasversale. Altri dati, come la modalità B tridimensionale (Fig. 2), la modalità M (Fig. 3), il Color Doppler (Fig. 4) e le immagini Pw Doppler (Fig. 5), vengono solitamente analizzati offline per determinare il volume aortico, il ceppo ciclico circonferenziale e la velocità del flusso sanguigno. Insieme, questi set di dati forniscono informazioni quantitative e qualitative sulla morfologia tridimensionale, nonché sull'emodinamica e sulla pulsatilità dell'aorta addominale.

Figura 1: Dissezione dell'aneurisma aortico in un topo. L'arteria celiaca e l'arteria mesenterica superiore possono essere viste ramificarsi dalla parte superiore del vaso. Il segnale ECG del mouse (linea verde) e il segnale respiratorio (linea gialla) sono mostrati sotto l'immagine.

Figura 2: Traccia in modalità di movimento (modalità M) dell'aorta surrenale in un topo sano. Un'immagine scout in modalità B viene mostrata sopra i dati unidimensionali in modalità M, che vengono acquisiti nella direzione anteroposteriore. I dati in modalità M mostrano il movimento pulsatile, in particolare nella parete anteriore. Ciò suggerisce che le misurazioni della deformazione dei vasi saranno normali.

Figura 3: Rendering del volume (rete ciano) di un'aorta surrenale di topo con (a sinistra) e senza (destra) un aneurisma dell'aorta addominale sezionante. Vengono mostrati i dati degli ultrasuoni da un piano coronale e la testa dell'animale è verso la parte superiore dello schermo. L'aneurisma si è espanso verso sinistra e il volume e il diametro aortico massimo sono notevolmente più grandi rispetto a prima dell'espansione.

Figura 4: Immagine Color Doppler di un'aorta surrenale sana. La testa del topo è a sinistra, la coda è a destra e l'animale è posizionato supino. I segnali ECG (verde) e respiratorio (giallo) del topo sono mostrati sotto l'immagine. La scala a sinistra quantifica la velocità del flusso sanguigno in base al colore. Il flusso rosso è verso il trasduttore mentre il flusso blu è lontano dal trasduttore. La scala a destra rappresenta la profondità in mm.

Figura 5: Immagine a onda pulsata (PW) di un'aorta surrenale sana. Il cursore giallo è posizionato parallelamente alle pareti del vaso al centro dell'aorta. La modalità Color Doppler aiuta l'utente a decidere dove raccogliere un segnale forte. Le forme d'onda di velocità sono mostrate sotto l'immagine. La scala a destra dei picchi è la velocità del flusso sanguigno in mm/s. I picchi acuti rappresentano il flusso arterioso.

I trasduttori ad ultrasuoni ad alta frequenza di recente sviluppo sono adatti per la visualizzazione di piccole strutture fino a una profondità fino a 3 cm. Qui è stata dimostrata la versatilità di un sistema ad ultrasuoni per piccoli animali per acquisire dati di imaging in vivo della dinamica dell'aorta murina. Questa tecnica richiede pratica e riconoscimento di difficoltà comuni, come ombre addominali e allineamento della scansione Doppler. Nonostante queste limitazioni, è una tecnica potente e versatile per ottenere rapidamente dati di imaging non invasivi. È importante sottolineare che questa tecnica si presta bene all'imaging seriale dello stesso animale per studi longitudinali di progressione o trattamento della malattia.

Gli ultrasuoni ad alta frequenza per piccoli animali possono essere utilizzati in una varietà di applicazioni cardiovascolari. Le applicazioni vascolari includono lo screening per la malattia aortica (come aneurismi e dissezioni aortiche), il rilevamento della placca aterosclerotica e la misurazione del flusso sanguigno nei pazienti con arteriopatia periferica. Le arterie carotidi, le arterie iliache e la vena cava inferiore possono essere facilmente immaginate con gli ultrasuoni. L'imaging cardiaco è anche una delle principali applicazioni di questa tecnica e viene utilizzato per essere in grado di visualizzare gli atri e i ventricoli di topi o cuori di ratto. L'imaging a ultrasuoni cardiaci può fornire all'utente molte informazioni sul cuore, tra cui dimensioni anatomiche, contrattilità, rigidità, gittata cardiaca, modelli di flusso, funzione valvolare e / o formazione di trombi, per citarne alcuni. Gli ultrasuoni possono anche essere utilizzati per l'imaging del sistema riproduttivo (come l'utero e la cervice) o sulla vescica. L'imaging del sistema riproduttivo sarebbe utile per esaminare le strutture e ottenere dimensioni per l'utero, la cervice e / o la vagina. I cuccioli potrebbero anche essere visualizzati e misurati in un topo o in un ratto gravido. A causa dei progressi nella tecnologia dei trasduttori e delle innovazioni nella tecnologia a ultrasuoni, queste applicazioni funzionano bene nei piccoli animali e possono anche avere applicabilità all'imaging umano superficiale.