[논문 리뷰] Transthoracic super-resolution ultrasound localisation microscopy of myocardial vasculature in patients

Jipeng Yan, B. K. Huang외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 24.

Ultrasound Imaging and ElastographyMedicine참고 문헌 39인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 심장 부정맥이 있는 환자에서 심장 미세혈관 및 혈류역학을 고해상도로 영상화하기 위해 흉부를 관통하는 초해상도 초음파 국소화 현미경(SRUS/ULM)을 입증한다. 심장 다진 배열 프로브와 다단계 운동 보정 및 다기능 추적을 포함하는 맞춤형 데이터 처리 파이프라인을 사용하여 파장 이하의 해상도( diffraction 한계를 초월)를 달성하였다. 이 방법은 호흡 정지 동안 심장 기능이 손상된 두 명의 환자에서 미세순환을 성공적으로 재구성하였으며, 기존의 초음파로는 접근이 어려웠던 미세혈관 구조와 혈류를 시각화할 수 있게 하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 폐쇄성 관상동맥 질환 없이 미세혈관 질환을 의심할 수 있는 환자에서 심장 미세혈관을 영상화하는 임상적 과제를 해결하기 위해.
• 실시간으로 미세순환 영상을 촬영할 때 기존 초음파의 해상도 및 감도 한계를 극복하기 위해.
• 심장 다진 배열 프로브와 최적화된 데이터 수집 및 처리 파이프라인을 사용하여 흉부를 관통하는 SRUS/ULM 접근법을 개발하고 검증하기 위해.
• 임상적으로 실현 가능한 호흡 정지 프로토콜을 통해 심장 미세혈관 및 혈류역학의 고해상도, 운동에 강한 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 환자 및 대형 동물 모델에서 흉부를 관통하는 초음파 데이터 수집을 위해 심장 다진 배열 프로브를 사용하였다.
• 호흡 및 심장 운동 보정을 위해 다단계 운동 보정 전략을 구현하였다.
• 강건한 마이크로버블 국소화를 위해 강도, 위상 및 질감 특징을 통합한 다기능 추적 프레임워크를 개발하였다.
• 추적 안정성 향상과 사용자 의존도 감소를 위해 자동 매개변수 초기화를 적용하였다.
• 다수의 프레임에 걸쳐 개별 마이크로버블을 국소화하여 초음파 분산 한계를 초월한 초해상도 재구성을 수행하였다.
• 맞춤형 파이프라인을 사용하여 심장 미세혈관 구조 및 혈류의 고해상도 지ap을 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 흉부를 관통하는 초해상도 초음파 국소화 현미경은 환자에서 심장 미세혈관의 분산 한계 이하 해상도 영상 촬영을 가능하게 하는가?
• RQ2 제안된 다단계 운동 보정 전략은 호흡 정지 촬영 중 마이크로버블 추적을 안정화하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 자동 매개변수 초기화를 포함한 다기능 추적 프레임워크는 임상 환경에서 미세혈관 구조 및 혈류역학을 신뢰성 있게 재구성할 수 있는가?
• RQ4 심장 기능이 손상된 환자에서 SRUS/ULM의 실현 가능성과 영상 품질은 어떠한가?
• RQ5 SRUS/ULM는 폐쇄성 관상동맥 질환 없이도 임상적으로 유의미한 미세혈관 정보를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 이 연구는 심장 기능이 손상된 두 명의 환자에서 초음파 분산 한계를 초월한 초해상도 심장 미세혈관 영상 촬영에 성공하였다.
• 다단계 운동 보정 전략은 호흡 정지 촬영 중 추적 안정성과 영상 품질을 크게 향상시켰다.
• 다기능 추적 프레임워크는 운동 아티팩트 및 노이즈에 대한 민감도를 감소시켜 마이크로버블의 강건한 국소화를 가능하게 하였다.
• 자동 매개변수 초기화로 재구성 과정의 신뢰성과 재현 가능성이 향상되었다.
• 이 방법은 표준 심장 프로브를 사용한 임상적으로 실현 가능한 흉부 영상 촬영을 통해 살아있는 상태에서 미세혈관 구조 및 혈류역학을 시각화할 수 있게 하였다.
• 결과적으로, 미세혈관 질환을 의심할 수 있는 환자에서 비침습적 고해상도 미세혈관 영상 촬영의 실현 가능성을 입증하였다.