[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究展示了经胸腔超分辨率超声定位显微镜（SRUS/ULM）在患者中实现心肌微血管和血流动力学的高分辨率成像，利用心脏相控阵探头和定制数据处理流程（包含多级运动校正与多特征追踪），实现了亚波长分辨率（超越衍射极限）。该方法在屏息状态下成功重建了两名心肌功能受损患者的微循环，实现了以往常规超声无法获取的微血管结构与血流可视化。

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.

研究动机与目标

• 为解决疑似微血管性心脏病但冠状动脉无阻塞性病变的患者心肌微血管成像的临床挑战。
• 克服常规超声在体内可视化微循环时的分辨率与灵敏度限制。
• 开发并验证一种基于心脏相控阵探头及优化数据采集与处理流程的经胸腔SRUS/ULM方法。
• 实现在临床可行的屏息协议下，对心肌微血管结构与血流动力学进行高分辨率、抗运动干扰的成像。

提出的方法

• 在患者和大型动物模型中，利用心脏相控阵探头进行经胸腔超声数据采集。
• 实施多级运动校正策略，以补偿屏息采集期间的呼吸与心脏运动。
• 开发一种结合强度、相位和纹理特征的多特征追踪框架，以实现微泡的鲁棒定位。
• 采用自动参数初始化以增强追踪稳定性并减少对人工干预的依赖。
• 通过在多帧中定位单个微泡实现超分辨率重建，从而突破声学衍射极限。
• 使用定制化处理流程，生成心肌血管结构与血流的高分辨率图谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 经胸腔超分辨率超声定位显微镜能否在患者中实现心肌微血管的超越衍射极限分辨率成像？
• RQ2 所提出的多级运动校正策略在屏息采集期间稳定微泡追踪方面的有效性如何？
• RQ3 结合自动参数初始化的多特征追踪框架能否在临床环境中可靠地重建微血管结构与血流动力学？
• RQ4 SRUS/ULM在心肌功能受损患者中的可行性与图像质量如何？
• RQ5 SRUS/ULM能否为非阻塞性冠状动脉疾病患者提供临床相关的微血管信息？

主要发现

• 本研究成功在两名心肌功能受损患者中生成了心肌微血管的超分辨率超声图像，实现了超越声学衍射极限的分辨率。
• 多级运动校正策略显著提升了屏息采集期间的追踪稳定性和图像质量。
• 多特征追踪框架实现了微泡的鲁棒定位，对运动伪影和噪声的敏感性显著降低。
• 自动参数初始化增强了重建过程的可靠性与可重复性。
• 该方法实现了使用标准心脏探头进行临床可行的经胸腔成像，成功在体内可视化微血管结构与血流动力学。
• 结果表明，对疑似微血管性心脏病患者实现非侵入性、高分辨率微血管成像具有可行性。