[論文レビュー] Transthoracic super-resolution ultrasound localisation microscopy of myocardial vasculature in patients

Jipeng Yan, B. K. Huang+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2023

Ultrasound Imaging and ElastographyMedicine参考文献 39被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、心臓用相関アレイプローブとカスタムデータパイプライン（マルチレベルモーショングループ補正およびマルチフェイチャートラッキングを備えた）を用いて、呼気停止法を用いて波長未満の分解能（回折限界を超える）を達成し、患者における心筋微小循環および血行動態の高分解能イメージングを実現した、経胸的スーパー・リゾリューション・ウルトラサウンド・ロケーション・マイクロスコピー（SRUS/ULM）の有効性を示した。この手法により、従来のウルトラサウンドでは得られなかった微小循環構造と血流の可視化が可能になった。

ABSTRACT

Micro-vascular flow in the myocardium is of significant importance clinically but remains poorly understood. Up to 25% of patients with symptoms of coronary heart diseases have no obstructive coronary arteries and have suspected microvascular diseases. However, such microvasculature is difficult to image in vivo with existing modalities due to the lack of resolution and sensitivity. Here, we demonstrate the feasibility of transthoracic super-resolution ultrasound localisation microscopy (SRUS/ULM) of myocardial microvasculature and hemodynamics in a large animal model and in patients, using a cardiac phased array probe with a customised data acquisition and processing pipeline. A multi-level motion correction strategy was proposed. A tracking framework incorporating multiple features and automatic parameter initialisations was developed to reconstruct microcirculation. In two patients with impaired myocardial function, we have generated SRUS images of myocardial vascular structure and flow with a resolution that is beyond the wave-diffraction limit (half a wavelength), using data acquired within a breath hold. Myocardial SRUS/ULM has potential to improve the understanding of myocardial microcirculation and the management of patients with cardiac microvascular diseases.

研究の動機と目的

• 閉塞性冠動脈疾患を認めないが微小循環障害を疑う患者における心筋微小循環のイメージングという臨床的課題に取り組むこと。
• 生体内での微小循環可視化において従来のウルトラサウンドの分解能および感度の限界を克服すること。
• 心臓用相関アレイプローブと最適化されたデータ取得・処理パイプラインを用いた経胸的SRUS/ULMアプローチの開発および検証すること。
• 臨床的実用性のある呼気停止法プロトコルを用いて、心筋微小循環および血行動態の高分解能でモーショングループに強いイメージングを可能にすること。

提案手法

• 患者および大型動物モデルにおける経胸的ウルトラサウンドデータ取得に心臓用相関アレイプローブを用いた。
• 呼気停止法でのデータ取得中に生じる呼吸および心拍動によるモーショングループ補正のため、マルチレベルモーショングループ補正戦略を実装した。
• 強度、位相、テクスチャ特徴を統合したマルチフェイチャートラッキングフレームワークを考案し、微小気泡のローカライゼーションを安定化させた。
• トラッキングの安定性を向上させ、ユーザー依存性を低減するために、自動パラメータ初期化を採用した。
• 複数フレームにわたる個々の微小気泡のローカライゼーションを用いて、音響的回折限界を超えるスーパーリゾリューション再構成を実現した。
• カスタムパイプラインを用いて、心筋血管構造および血流の高分解能マップを生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 経胸的スーパー・リゾリューション・ウルトラサウンド・ロケーション・マイクロスコピーは、患者における心筋微小循環の回折限界を超える分解能イメージングを達成できるか？
• RQ2 提案されたマルチレベルモーショングループ補正戦略は、呼気停止法でのデータ取得中に微小気泡トラッキングを安定化させるのにどの程度有効か？
• RQ3 自動パラメータ初期化を備えたマルチフェイチャートラッキングフレームワークは、臨床現場において微小循環構造および血行動態を信頼性高く再構成できるか？
• RQ4 心機能障害を示す患者におけるSRUS/ULMの実現可能性および画像品質はいかがなものか？
• RQ5 非閉塞性冠動脈疾患を示す患者において、SRUS/ULMは臨床的に有用な微小循環情報を提供できるか？

主な発見

• 本研究では、心機能障害を示す2名の患者に対して、音響的回折限界を超える分解能を達成したスーパーリゾリューション・ウルトラサウンドイメージングを成功裏に実施した。
• マルチレベルモーショングループ補正戦略により、呼気停止法でのデータ取得中にトラッキングの安定性および画像品質が顕著に向上した。
• マルチフェイチャートラッキングフレームワークにより、モーショングループアーチファクトおよびノイズに対する感受性が低減され、微小気泡のローカライゼーションが安定した。
• 自動パラメータ初期化により、再構成プロセスの信頼性および再現性が向上した。
• 標準的心臓プローブを用いた臨床的実用性のある経胸的イメージングにより、生体内での微小循環構造および血行動態の可視化が可能になった。
• 本結果は、微小循環障害を疑う患者における非侵襲的で高分解能の微小循環イメージングの実現可能性を示している。