Эхокардиография со спекл-трекингом | |
---|---|
Цель | анализирует движение тканей в сердце |
В области кардиологии и медицинской визуализации спекл -трекинговая эхокардиография ( STE ) является методом эхокардиографической визуализации . Она анализирует движение тканей в сердце, используя естественный спекл-рисунок в миокарде (или движение крови при визуализации с помощью ультразвука ).
Этот метод документирования движения миокарда является неинвазивным методом определения как векторов, так и скорости. По сравнению с другими технологиями, ищущими неинвазивное определение ишемии , отслеживание спеклов кажется ценным начинанием. Спекл-паттерн представляет собой смесь интерференционных паттернов и естественных акустических отражений. [1] Эти отражения также описываются как спеклы или маркеры .
Поскольку рисунок является случайным, каждая область миокарда имеет уникальный рисунок спеклов (также называемый рисунками , особенностями или отпечатками пальцев ), который позволяет отслеживать область. Рисунок спеклов относительно стабилен, по крайней мере, от одного кадра к другому. [2] [3] При постобработке это можно отслеживать последовательно от кадра к кадру и в конечном итоге разрешать в независимые от угла двумерные ( 2D ) и трехмерные последовательности на основе деформации ( 3D ). [3] [4] [5] Эти последовательности предоставляют как количественную, так и качественную информацию относительно деформации и движения ткани.
Поскольку спекл-шаблон является случайным, любая область миокарда имеет уникальный спекл-шаблон: В пределах изображения можно определить определенную область «ядро», и поскольку этот спекл-шаблон относительно стабилен, ядро может быть распознано в следующем кадре, в пределах большей области поиска, с помощью алгоритма поиска «наилучшего соответствия». Существуют различные алгоритмы поиска, наиболее часто используемым является « сумма абсолютных разностей », [3] показавшая такую же точность, как и кросс-корреляция , которая является альтернативой. [6] [7] Таким образом, движение ядра по изображению можно отслеживать, в принципе независимо от угла луча, в отличие от тканевого допплера . Таким образом, отслеживание спеклов может отслеживаться в двух измерениях. Однако, поскольку аксиальное (в направлении луча) разрешение ультразвука намного лучше поперечного, способность отслеживания меньше в поперечном направлении. Кроме того, поперечное разрешение (и, следовательно, способность отслеживания) уменьшается с глубиной при секторном сканировании, где ультразвуковые лучи расходятся.
Различные коммерческие и некоммерческие операторы затем используют разные подходы для получения параметров движения и деформации. Движение одного ядра может быть разрешено в кривые смещения, а расстояние между двумя ядрами в деформацию (деформацию). [8] [9] Скорость деформации тогда будет производной по времени от деформации. В некоторых коммерческих приложениях акустические маркеры отслеживаются более индивидуально, вычисляя скорость из движения и интервала выборки (обратного частоте кадров), создавая поле скорости. [4] В отличие от тканевого допплера, это поле скорости не ограничивается направлением луча. Скорость деформации и деформация затем вычисляются из скоростей. Было показано, что отслеживание спеклов сопоставимо с деформацией, полученной из тканевого допплера, [10] и было проверено в отношении МР. [9] [11] [12]
Деформация определяется как дробное или процентное изменение размера объекта по сравнению с исходным размером объекта. [13] Аналогично, скорость деформации может быть определена как скорость, с которой происходит деформация . Математически распознаются три компонента нормальной деформации (εx, εy и εz) и три компонента деформации сдвига (εxy, εxz и εyz). Соответственно, применительно к левому желудочку деформация левого желудочка определяется тремя нормальными деформациями (продольной, окружной и радиальной) и тремя деформациями сдвига (окружно-продольной, окружно-радиальной и продольно-радиальной). Основным преимуществом деформаций сдвига ЛЖ является усиление 15%-ного укорочения миоцитов до 40%-ного радиального утолщения стенки ЛЖ, что в конечном итоге приводит к изменению фракции выброса ЛЖ >60% . Сдвиг левого желудочка увеличивается по направлению к субэндокарду, что приводит к градиенту деформации утолщения от субэпикардиального к субэндокардиальному. Подобно МРТ, STE использует «лагранжеву деформацию», которая определяет движение вокруг определенной точки в ткани, вращающейся во времени и пространстве. [14] На протяжении всего сердечного цикла конечно-диастолический размер ткани представляет собой ненапряженную начальную длину материала. Отслеживание спеклов является одним из двух методов визуализации скорости деформации , другой — тканевой допплер .
Скручивание или торсионная деформация определяют градиент от основания к верхушке и являются результатом сдвига миокарда в окружно-продольных плоскостях таким образом, что при взгляде со стороны верхушки основание вращается против часовой стрелки. Аналогично, верхушка ЛЖ одновременно вращается по часовой стрелке. Во время выброса кручение ЛЖ приводит к накоплению потенциальной энергии в деформированных миофибриллах . Эта накопленная энергия высвобождается с началом релаксации, подобно раскручиванию пружины, и приводит к возникновению сил всасывания. Затем эти силы используются для быстрого раннего диастолического восстановления.
Полезность STE все больше признается. Результаты деформации, полученные с помощью STE, были подтверждены с помощью сономикрометрии и маркированной МРТ , и результаты значительно коррелируют с измерениями, полученными с помощью тканевого допплера . [15] [16] [17] Технология тканевого допплера , альтернативный метод визуализации скорости деформации для технологии отслеживания спеклов, требует достижения достаточно параллельной ориентации между направлением движения и ультразвуковым лучом. Ее использование оставалось ограниченным из-за зависимости от угла, существенной внутринаблюдательной и межнаблюдательной изменчивости и шумовых помех. Технология отслеживания спеклов в определенной степени преодолела эти ограничения.
Однако для достижения достаточного качества отслеживания при использовании отдельных маркеров коммерческие алгоритмы очень часто прибегают к разновидностям сплайнового сглаживания , используя имеющуюся информацию из самых сильных эхо-сигналов, очень часто митрального кольца, поэтому региональные измерения не являются чисто региональными, а скорее в некоторой степени сплайновыми функциями глобального среднего. Поскольку метод использует B-режим, частота кадров спекл-трекинга ограничена относительно низкой частотой кадров B-режима. Если частота кадров слишком низкая, качество отслеживания снижается из-за межкадровой декорреляции. Это также может быть проблемой, если частота сердечных сокращений высокая (что на самом деле является относительным уменьшением частоты кадров — меньше кадров на сердечный цикл).
Увеличение частоты кадров в B-режиме достигается за счет уменьшения плотности линий, т. е. латерального разрешения, и, таким образом, делает метод более зависимым от угла. Наконец, метод в некоторых приложениях зависит от размера и формы ROI (области интереса). В принципе, отслеживание спеклов доступно для измерения деформации во всех направлениях, однако из-за ограничения латерального разрешения на апикальных изображениях измерение циркулярной и трансмуральной деформации требует парастернальных поперечных сечений. [11] С другой стороны, по сравнению с тканевой допплерографией , этот метод в основном доступен только для продольных измерений из апикальной позиции. [11]
В исследовании Чо и др. [11] как полученная с помощью TVI, так и полученная с помощью отслеживания спеклов продольная деформация показала скромную корреляцию с деформацией, полученной с помощью МРТ. Анализ ROC показал значительно более высокую AUC для отслеживания спеклов для обнаружения дисфункциональных сегментов. Однако в это исследование были включены только пациенты с ишемической болезнью сердца. Более низкая частота кадров, как было замечено, является проблемой в стресс-эхо , поскольку пиковый стресс показывает довольно высокую частоту кадров. [18]
Однако основная проблема с отслеживанием спеклов становится все более очевидной: отсутствие стандартизации. У каждого поставщика ультразвукового оборудования или программного обеспечения для анализа есть разные алгоритмы, которые будут работать по-разному во время анализа. При прямом сравнении отклонения между анализами могут быть существенными, особенно по сравнению с внешним эталоном. [19] Таким образом, измерения, нормальные пределы и пороговые значения являются специфичными только для поставщика. Из-за промышленной секретности подробности различных алгоритмов также могут быть в значительной степени недоступны, поэтому подробное исследование в моделировании затруднено.
Клиническое применение технологии отслеживания спеклов: