超声定位显微镜

2020-12-18 13:48:41 浏览:1228

定义

在超声造影剂注射和超声成像条件下,如果微泡分布足够稀疏,就可以通过逐帧定位和定位累加的形式实现微小结构或血管的亚波长分辨率重建。

概念提出

超声成像作为一种安全,无创且相对便宜的成像方式,可以实时可视化患者的内部组织。自1970年代以来,由于硬件和图像形成算法的进步,超声图像的质量一直在稳步提高。但是,像所有基于波的成像技术一样,超声波由于波传播的方(衍射)而面临着基本的局限性——衍射极限。如果减小波长来提高分辨率的话,随着波长的减小,超声波的吸收会大大增加,导致无法实现较深组织的成像。结果,临床超声成像中的分辨率极限最多为数百微米[1]

光学显微镜下存在相同的基本分辨率极限。但是光激活定位显微镜(PALM)的提出突破了这一限制,使研究人员能够实现纳米级分辨率的成像,并因此获得了2014年诺贝尔化学奖。PALM通过三个步骤实现超分辨率成像。第一步是对光激活的荧光分子进行成像,基于低光强以及分子激活的随机性可确保在任何一次仅激活部分稀疏子集,使得每个激活分子不会与其邻域重叠。第二步是通过找到点扩散函数的中心来确定每个点状源的确切位置。最后一步是多次重复照明和检测步骤。每次检测到一组不同的分离的点状源,直到获得足够密度的源点。通过在单个元图像上标记所有这些点源的位置可以构建超分辨图片。此图像中的空间分辨率会超过衍射极限,因为它是由可以估算每个光源位置的精度决定的。

是否可以使用类似的方法来实现超分辨率超声成像?第一个挑战是识别潜在的点源(在超声情况下为点散射体)。由于小血管反射声波的能力较弱,因此使用超声波很难看到它们,因此可以很好的反射声波的微泡一直被用作增强血管信号的造影剂。微泡是强散射体且很适合作为点声源。2013年,汤梦兴组通过使用足够稀释的微泡实现了超分辨超声成像[2]。且同一小组使用此方法获取了鼠耳微血管超分辨图像,并跟踪微泡以估计血流速[3],但其每秒25帧的帧率使得需要一个小时的成像时间才能实现超分辨。

Errico等通过使用高帧率成像系统(每秒500帧),以连续图像来检测微泡并且可以在数据中检测到帧之间的移动明显的微泡信号。只要这些移动变化使得微泡足够稀疏,就可以准确确定这些微泡的位置和速度,使用约150秒内拍摄的75,000张图像足以建立超高分辨率图像[4]

主要步骤

图  1 ULM定位步骤

ULM的一般步骤为 :(1)采集并堆叠100s至100000s的图像或RF通道矩阵;(2)选取低浓度允许分离的微泡;(3)RF信号双曲线的质心或微泡质心被定位;(4)微泡运动补偿后,进行追踪以确定速度矢量;(5)超分辨定位结果被累积在一幅图像中,同时随着帧数的累积跟踪运动,并不断以运动配准结果矫正微泡定位。

主要应用

神经科学:目前ULM被用于小鼠脑部血流成像,在[4]中重建出了小鼠脑部的血流方向和速度图。

疾病诊断:目前ULM被用于疾病定量特征分析,如肿瘤,糖尿病等。

参考文献

[1] Cox, B., Beard, P. Super-resolution ultrasound. Nature 527, 451–452 (2015).
[2] Viessmann, O. M., Eckersley, R. J., Christensen-Jeffries, K., Tang, M. X. & Dunsby, C. Phys. Med. Biol. 58, 6447–6458 (2013).
[3] Christensen-Jeffries K, Browning R J, Tang M X, et al. In vivo acoustic super-resolution and super-resolved velocity mapping using microbubbles[J]. IEEE transactions on medical imaging, 2014, 34(2): 433-440.
[4] Errico C, Pierre J, Pezet S, et al. Ultrafast ultrasound localization microscopy for deep super-resolution vascular imaging[J]. Nature, 2015, 527(7579): 499-502.
[5] Couture O, Hingot V, Heiles B, et al. Ultrasound localization microscopy and super-resolution: A state of the art[J]. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 2018, 65(8): 1304-1320.
[6] Lin F , Rojas J D , Dayton P A . Super resolution contrast ultrasound imaging: Analysis of imaging resolution and application to imaging tumor angiogenesis[C]// IEEE International Ultrasonics Symposium. IEEE, 2016.
[7] Debabrata, Ghosh, Jun. Super-Resolution Ultrasound Imaging of Skeletal Muscle Microvascular Dysfunction in an Animal Model of Type 2 Diabetes[J]. Journal of Ultrasound in Medicine Official Journal of the American Institute of Ultrasound in Medicine, 2019.

超声成像

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/23

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交