Acoustics Today | 超分辨率超声成像:寻找微血管

文摘   2024-10-27 15:19   中国香港  


近日,伊利诺伊大学香槟分校研究团队在《Acoustics Today》上发表“Super-Resolution Ultrasound Imaging: The Quest for Microvessels”,介绍了超分辨率超声成像技术在微血管成像方面的应用,包括该技术的原理、应用、局限性和发展前景。

氧气通过血管系统输送到身体各个部位,微血管是氧气和其他气体与细胞进行交换的场所,了解微血管血流对多种疾病的治疗和监测至关重要。常规生物医学成像技术难以清晰地观察到微小且深在组织中的微血管

解决这一关键成像问题的一种潜在方法是一种称为超分辨率超声成像的技术,称为超声定位显微镜(ULM)ULM使用FDA批准的微泡来显著提高成像分辨率,同时不损失成像深度。ULM是如何做到这一点的呢?

想象一下自己迷失在人群中,周围都是说话的人。闭上眼睛,依靠耳朵来辨别个人声音并识别同事。如果每个人都同时发言,那么区分和定位特定的人非常具有挑战性。但如果只有个别人说话,由于声源的分离,定位任务就变得相对容易。如果你的同事使用某些东西来帮助他们在人群中脱颖而出(例如,口哨,其音调和音量与声音不同),那么找到他们就变得更加 容易。ULM成像以类似的方式工作,通过检测和定位与组织不同的孤立微泡信号,生成详细的微血管图像


继续我们的类比,我们给同事一个哨子(微泡),同时要求他们在人群中走动,最好彼此保持一定距离,以方便我们定位。在生物医学超声成像中,有一种成熟的技术称为超声造影(CEUS),该技术将微泡注入血液中以增强血流信号;这些微泡就像拥挤房间中的哨子一样。血流信号往往比周围组织弱得多,因此微泡旨在帮助对脉管系统进行成像。这些微泡的尺寸通常为2-5μm,由封装惰性气体的脂质壳制成。微泡足够小,可以在血流系统中顺利循环,而不会阻塞血管,同时也不会从血管空间中泄漏。

微泡的独特优势

  • 可检测性:微泡具有高度可压缩性,在超声成像中比周围组织更明亮。

  • 非线性声学特性:微泡是高度非线性声学谐振器,能产生独特的非线性信号,便于与组织信号分离。

  • 流动性:微泡通过血液循环在体内移动,可通过运动过滤来分离微泡信号和组织信号。

通过滤波分离组织和微泡信号

微泡定位的两个阶段:粗定位和精细筛选

ULM成像过程
  • 微泡定位:包括初始的粗略位置估计和更精细的亚像素算法,以获得超分辨率位置。通常使用局部最大值搜索、互相关或深度学习等方法来识别微泡候选位置,并使用强度加权质心等算法进行亚像素定位。

  • 微泡跟踪:根据微泡在血管内的流动特性,通过最近邻搜索、匹配微泡的特征(如强度、形状或互相关性)等方法,将相邻帧中的微泡位置进行链接和跟踪,从而估计血管的生理参数。

  • 图像生成:将微泡轨迹数据进行插值,填充缺失的空间,生成超分辨率的超声图像。

微泡追踪的体内示例: (A)微泡的稀疏定位导致血管片段不连续; (B)对微泡轨迹进行插值以填补数据中的这些空白; (C)对数据集中的每个微泡轨迹重复此过程,累积所有轨迹数据以产生最终的超分辨率图像


不同成像方式的成像深度和分辨率对比


人脑经颞窗的超分辨率超声成像


应用领域

1. 大脑成像
  • 能够提供大脑范围的成像覆盖和微米级的空间分辨率,同时测量单个血管的血流速度。

  • 在中风、衰老、阿尔茨海默病、脑积水和缺血等疾病的研究以及神经活动的功能成像中取得了显著成果,既有动物实验研究,也有人类临床研究。

2. 癌症成像

  • 异常微血管生长是癌症的特征之一,超分辨率超声成像可用于癌症的基础研究和临床管理,如早期检测、诊断和治疗反应评估。
  • 在乳腺癌和淋巴结组织的转化研究中取得了早期有前景的结果。

局限性
  • 成像速度慢:数据采集和后处理时间长,容易受到探头和组织运动的影响。
  • 依赖微泡:静脉注射微泡是侵入性操作,在小动物和人类中都存在一定的挑战。
  • 成像范围有限:目前的技术只能成像血管内空间,无法对血管外空间进行成像。
发展前景
  • 高吞吐量成像:未来的发展方向是实现高吞吐量成像,缩短数据采集和后处理时间,这需要改进微泡定位和跟踪技术,开发更高效的算法和硬件。
  • 临床应用:一旦实现高吞吐量成像,超分辨率超声成像将成为更实用的技术,广泛应用于基础和转化研究,并有望进入临床实践,为临床医生提供更多的诊断和治疗工具。

    神经科学领域:在神经科学领域,特别是大脑成像方面,超分辨率超声成像具有巨大的潜力,可用于研究神经系统疾病的进展和治疗反应。



文章链接

https://acousticstoday.org/super-resolution-ultrasound-imaging-the-quest-for-microvessels/



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