4D ultrasound vector flow imaging for intraventricular flow assessment
Abstract
4D ultralyd vector flow avbildning for evaluering av blodstrøm i hjertet
Ultralyd er den mest utbredte modaliteten for evaluering av hjertefunksjon grunnet tilgjengelighet, lav kostnad og sanntidsvisning. Ekkokardiografi (ultralyd av hjertet) blir brukt for både anatomisk avbildning og målinger av blodstrøm og vevshastigheter. Konvensjonelle, Dopplerbaserte blodstrømsmålinger har iboende begrensninger blant annet ved å være avhengig av vinkelen mellom ultralydstrålen og blodstrømsretningen. Den eneste tilgjengelige metoden for tidsoppløst volumetriske vektor-målinger er i dag fasekontrast magnetisk resonansavbildning (PC-MRI), som er en tidskonsumerende og dyr modalitet med begrenset tilgjengelighet. Arbeidet i denne avhandlingen tar for seg vector flow imaging (VFI), som i motsetning til Dopplermetodene er en vinkeluavhengig metode, og demonstrere VFI for tredimensjonal (3D) ekkokardiografi.
Teknologiske fremskritt i moderne ultralydsystemer muliggjør større prosesseringsmuligheter, som har gitt nye og forbedrede avbildningsmetoder. Dette arbeidet utnytter at ultralydsystemene nå kan generere mange bildelinjer samtidig som sammen med matrisetransdusere gir tredimensjonal avbildning med høy bilderate. Målet med denne avhandlingen var å utvikle og validere en 4D (3D+tid) VFImetode anvendt på hjertets venstre ventrikkel, ved å utnytte mulighetene til moderne kliniske ultralydsystem. Den kliniske motivasjonen for å måle kompleks blodstrøm er å forhindre eller begrense utvikling av hjertesvikt ved å tidlig detektere patologiske endringer i strømningsmønstret i hjertet.
En tilpasset metode ble utviklet i så henseende, som en hybrid mellom konvensjonell Dopplerbasert estimering for hastighetskomponenten langs ultralydstrålen, i kombinasjon med en beregningstung mønstergjenkjenningsmetode (speckle tracking) for de to andre hastighetskomponentene. Metoden ble validert ved hjelp av datasimuleringer og et eksperimentelt oppsett på ultralydlaboratoriet, og sammenlignet med PC- MRI for en frisk frivillig. Metoden viste seg å prestere bra under gode avbildningsforhold, men er fortsatt begrenset av filtrering nødvendig for ultralydbaserte blodstrømsmålinger. I tillegg gjenstår generelle ultralydutfordringer relatert til pasient- og operatørvariabilitet. Videre valideringsstudier er derfor nødvendig for å kartlegge den kliniske nytten av metoden. Oppsummert er resultatene lovende for at ultralyd i fremtiden kan brukes som en modalitet for 4D avbildning av kompleks blodstrøm i hjertet. Abstract
Ultrasound is the most used modality for cardiac assessment due to its availability, low cost and real-time display. It is widely used for both anatomical imaging and for quantification of blood flow and tissue velocities. Intracardiac blood flow measurements are, however, limited by the intrinsic properties of Doppler-based estimation. This work investigates vector flow imaging (VFI) which aim to resolve the angle-dependencies inherent in conventional blood flow estimation, applied in three dimensional echocardiography. The only available option today for timeresolved volumetric three-directional blood flow imaging of the heart, is phase-contrast magnetic resonance imaging (PC-MRI), which is a time demanding and expensive modality with limited accessibility.
Technological advancements in modern ultrasound systems have allowed more processing capabilities, and enabled new and improved imaging strategies. In this work, so-called multiple line acquisition and matrix-array transducers, have been technological enablers, by allowing acquisition in three dimensions and processing of high data rates.
The aim of this thesis is to develop and validate a 4D VFI method applied on the adult left ventricle, utilizing the capabilities of state-of-the-art clinical ultrasound systems. The clinical aim of measuring complex blood flow is to prevent or slow development of congestive heart failure, by early detection of pathological changes in the intraventricular flow circulation.
An adapted speckle tracking method was developed for this purpose, as a hybrid between conventional Doppler-based estimation for radial estimates, in combination with a more computational demanding block-matching approach for the lateral directional estimates. The method was validated using simulations, an in-vitro setup and with PC-MRI. The proposed method proved to work well under good imaging conditions, but is still limited by challenges especially related to filtering, needed for ultrasound blood flow estimation. This is in addition to general ultrasound imaging challenges related to patient and operator variability. Hence, further validation studies are needed to map the clinical utility of the method. Nonetheless, the results contained in this work was promising for ultrasound as a future modality to assess complex 4D intracardiac blood flow.