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IV-US (W. Khaled)
IV-US (W. Khaled) (english)

Intravaskulärer Ultraschall für die Kardiologie: neue Abbildungsverfahren zur Charakterisierung koronarer Plaques

Motivation:

Koronare Arteriosklerose ist eine weit verbreitete Krankheit in der westlichen Welt.
Intravaskulärer Ultraschall (IVUS) ist ein bedeutendes Abbildungsverfahren in der klinischen Kardiologie sowie in der kardiologischen Forschung. Er wird derzeit als Goldstandard bei der Darstellung morphologischer Veränderungen innerhalb des Gefäßes angesehen.
Akute Koronarsyndrome werden vorwiegend durch instabile Plaques hervorgerufen, welche jedoch mit konventionellen Methoden bisher nicht eindeutig von stabilen Plaques unterschieden werden können. Mit der Methode der Ultraschall-Elastographie ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften von Koronarplaques darzustellen und somit das Risiko von akuten Infarkten einzuschätzen. Weiterhin soll in diesem Vorhaben die Möglichkeit der Erkennung von instabilen Plaques mittels ultraschnellem Mehrschicht-CT untersucht werden.




The Motivation:

Coronary atherosclerosis is a common disease in industrialized countries.
Catheter based Intravascular Ultrasound (IVUS) is an important tool in clinical cardiology and cardiologic research. It is accepted as a gold standard in morphological assessment of coronary artery diseases.
Acute coronary syndromes result predominantly from unstable, vulnerable coronary plaques, which cannot be reliably distinguished from stable plaques with conventional ultrasound. With the method of ultrasound elastography it is possible to visualize elastic properties of coronary plaques and thus try to assess the risk for myocardial infarction.
Another goal is to evaluate the possibilities of using ultrafast multi-slice CT for the detection of vulnerable plaques.

Methode:

Zur Darstellung der mechanischen Eigenschaften von biologischem Gewebe mit Ultraschall (Elastographie) wurden in den letzten Jahren verschiedene Verfahren entwickelt. Wir verwenden diese Methode, um die Dehnung von Koronararterien abzubilden. Um ein sogenanntes Elastogramm zu erhalten, wird das Gewebe komprimiert, wobei hochfrequente Ultraschalldaten bei verschiedenen Kompressionszuständen aufgenommen werden. Die Verschiebung des Gewebes und die resultierende Dehnung werden dann aus den hochfrequenten Ultraschalldaten anhand von Korrelationsmethoden geschätzt. Am Institut für Hochfrequenztechnik der Ruhr-Universität Bochum wurde ein schneller Elastographie-Algorithmus entwickelt, der die Phaseninformationen der hochfrequenten Ultraschalldaten auswertet. Die axiale Zeitverschiebung in einem vor und nach der Kompression aufgenommenen Signalpaar wird durch die Bestimmung der Phasennullstelle der komplexen Kreuzkorrelationsfunktion innerhalb eines Zeitfensters eschätzt. An der Grenze des Gefäßlumens beginnend wird dieses Zeitfenster entlang der Signale verschoben. Um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden, wird jeweils die in einem vorherigen Fenster berechnete Zeitverschiebung als Startwert für die Schätzung verwendet. Die Dehnung wird als Ableitung der Verschiebungsschätzung berechnet. Im Falle des IVUS wird der erforderliche Druck innerhalb des Gefäßlumens erzeugt. Blutdruckschwankungen innerhalb eines Herzzyklus werden hierbei ausgenutzt, um die erforderliche Kompression in vivo auszuüben.
Bild 1 zeigt einen solchen IVUS Schallwandler.
Zur Überprüfung des verwendeten Verfahrens wurden Versuche an Gefäßphantomen vorgenommen. Ein Cvis Insight IVUS Gerät (Boston Scientific Corp., USA) mit Schallwandlern mit einer Mittenfrequenz von 30 MHz bzw. 40 MHz wurde für die Versuche verwendet. Analoge hochfrequente Echodaten wurden mit einer A/D Wandlerkarte (Gage Applied Inc., Canada) aufgezeichnet. Zur schnellen und kontinuierlichen Datenaufnahme wurde ein universelles Trigger-Interface auf Basis eines Mikrocontrollers entwickelt (Bild 2). Die tiefenabhängige Dämpfung der Signale wurde mit einem Tiefenausgleichsverstärker kompensiert. Phantome wurden aus Polyvinyl Cryogel hergestellt. Die elastischen Eigenschaften dieses Materials können durch mehrere Gefrierzyklen verändert werden. Die Phantomexperimente und erste Versuche an Gefäßpräparaten wurden in einem Wasserbad vorgenommen. Eine Wassersäule wurde verwendet, um die erforderlichen Druckdifferenzen innerhalb des Gefäßlumens auszuüben. Ein typisches Ergebnis eines Zweischichtphantoms ist in Bild 3 dargestellt.
Das Phantom besitzt eine exzentrische "weichere" innere Schicht. Eine Kompression dieser Schicht führt zu einer höheren Dehnung, was in dem farbkodierten Elastogramm (Dehnungsbild) deutlich sichtbar wird.

The Method:

In the past years various elastography methods have been developed to use ultrasound for the examination of elastic properties of biological tissue. We apply this method to image the strain of coronary arteries. To obtain an elastogram, the tissue is compressed by an external force and rf ultrasound images are recorded at different compression levels. The tissue displacement and strain in axial beam direction is then estimated from the rf data using correlation techniques. We developed a fast algorithm that uses the phase information of rf data. The axial time shift in a signal pair acquired before and after compression is estimated by calculating the phase root of the complex cross correlation function in a temporal window. Starting at the vessel lumen boundary, this correlation window is moved along the signals. To avoid aliasing, the calculated shift from the previous window position is used as an initial guess for each window. The strain is calculated as the derivative of the estimated shift. In the case of IVUS, a radial force is applied inside the vessel lumen. Blood pressure variations during the heart cycles will be used to apply the required compression in vivo. Figure 1 shows a photo of a typical IVUS transducer.
To verify the elastographic approach, we performed phantom experiments with vessel mimicking phantoms. A Cvis Insight IVUS scanner (Boston Scientific Corp., USA) was used for the experiments, operating at 30 MHz and 40 MHz, respectively. Analog rf data was sampled with an A/D converter (Gage Applied Inc., Canada). For fast and continuous data acquisition a versatile trigger interface was developed, comprising a micro controller (fig. 2). Depth dependent attenuation was compensated with a custom made TGC. Phantoms were created from polyvinyl cryogel. The elastic properties of this material an be varied using various freeze-thaw cycles, thus phantoms with layers of different stiffness were created. Phantom and initial In Vitro experiments with human arteries were performed in a water tank. To obtain different compression levels, the pressure inside the lumen was varied using a water column. The results of a phantom with two layers are shown in fig. 3. The phantom had an eccentric "softer" inner layer. Compressing this layer results in a higher strain in this region. This can be clearly seen in the color coded strain image.

Ziel:

Der Schwerpunkt dieses Projektes liegt bei der Abbildung und Charakterisierung von instabilen Koronarplaques. Akute Koronarsyndrome werden vorwiegend durch instabile Plaques mit weniger als 50% Stenose hervorgerufen. Die meisten Koronarereignisse werden durch Plaqueeinrisse verursacht, die Thrombosebildung führen. Läsionen mit diesen Merkmalen stellen nur einen geringen Anteil von koronaren Läsionen (10 - 20%) dar, sind aber an ca. 80 - 90% aller akuten Koronarereignisse beteiligt. Die Morphologie dieser instabilen, weichen Plaques kann mit Hilfe von IVUS abgebildet werden, wobei die Rupturwahrscheinlichkeit und damit die Rate klinischer Ereignisse nicht mit der Größe des Plaques und dem Schweregrad der Stenose korreliert. In diesem Zusammenhang stellt die Abbildung von koronaren Plaques und die Charakterisierung von Gefäßwandeigenschaften eine große Herausforderung dar. Neben der konventionellen Bildgebung müssen weitere Informationen über die Plaques und die Eigenschaften der Gefäßwände ausgewertet werden. Es konnte gezeigt werden, dass weiche Plaques unterschiedliche mechanische Eigenschaften im Vergleich zu kalzifizierten Plaques aufweisen. Die Abbildung dieser Eigenschaften kann bei der Risikostratifizierung von Patienten mit Koronarer Herzerkrankung hilfreich sein.
Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von Algorithmen sowie Software zur Signal- und Bildverarbeitung. Diese sollen in einem separaten PC bzw. direkt auf einem Ultraschallgerät implementiert werden. Hiermit soll die Dehnungsabbildung koronarer Gefäße in Echtzeit realisiert werden, um instabile Plaques besser zu erkennen. Weiterhin sollen in diesem Projekt die Methoden zur Darstellung und Unterscheidbarkeit der verschiedenen Arten von Koronar-Plaques mit ultraschnellem Mehrschicht-CT im Rahmen einer Vergleichsstudie CT/IVUS validiert und optimiert werden.

The Target:

The main focus of this project is on the imaging and characterization of unstable, vulnerable plaques. Acute coronary syndromes result predominantly from unstable coronary plaques with less than 50 % stenosis. The process of plaque fissuring, leading to plaque disruption and thrombosis, triggers most clinical coronary events. Fissuring is predicted by a large accumulation of core lipid in the plaque and by a high density of lipid-laden macrophages in its thinned fibrous cap. Lesions with these characteristics constitute only 10 - 20% of the overall lesion population but account for 80 - 90% of the acute clinical events. The morphology of these vulnerable, soft plaques can be assessed using IVUS, but the vulnerability is not directly related to the plaque size. Therefore, imaging of coronary atherosclerotic plaque and coronary wall characterization represents a major challenge. Besides conventional imaging, additional plaque and coronary wall tissue information has to be evaluated for this task. The vulnerable plaques have different elastic properties from calcified plaques. The assessment of these parameters will help in the early and adequate detection of this type of plaque.
The aim of this project is the development of software, signal and image processing components to be implemented in a separate PC or, alternatively, in an IVUS system. The system is intended to perform strain imaging of coronary arteries in real time and thus help to detect unstable plaques. Furthermore, ultrafast multi-slice CT cardiac imaging capabilities will be verified and optimized.

Vision:

Etwa 190.000 Personen erleiden jedes Jahr in Deutschland einen Herzinfarkt. Die Abschätzung des Risikos dieser Krankheit ist bis heute schwierig. Es existieren Risikogruppen wie z.B. Raucher, Diabetiker und Senioren. Allerdings gehören Patienten in vielen Fällen zu keiner dieser Gruppe. Gesunde Menschen unter 40 können an einem akuten Herzinfarkt versterben, was oft durch instabile Koronarplaques verursacht wird.
Die Gewebecharakterisierung und verlässliche Visualisierung von instabilen Plaques mit IVUS und Mehrschicht–CT Technologien sind ein bedeutender Schritt zur Risikoeinschätzung von akuten Herzinfarkten. Diese Methoden bieten eine kostengünstige, und im Falle des Mehrschicht CT eine einfach anzuwendende Screening-Methode zur Erkennung von Arteriosklerose. Sie helfen weiterhin bei der Beurteilung der Schwere der Krankheit und werden einen wichtige Rolle bei der Früherkennung und Erstversorgung spielen. Koronare Herzerkrankungen und akute Herzinfarkte treten in unserer Gesellschaft sehr häufig auf, die Möglichkeit einer Früherkennung dieser Krankheiten wird daher einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der medizinischen Versorgung sowie zur Kostenreduzierung im Gesundheitssystem darstellen.

The Vision:

Approximately 190.000 persons suffer from a heart attack each year in Germany alone. The risk assessment of this disease is extremely difficult until today. There are groups with a greater risk of coronary diseases, such as smokers, diabetics, elderly people or top level managers. But in a lot of cases the patients do not belong to any of those groups and people in their thirties die from a sudden hear attack, often related to vulnerable coronary plaques.
Tissue characterization and reliable visualization of unstable plaque morphologies based on new IVUS and multi-slice CT imaging techniques will be a major step in identifying patients at risk for acute coronary syndromes. They provide a cost-effective and, in case of non invasive CT, a convenient way of initial screening for coronary artery diseases. These methods also can facilitate the classification and quantification of disease severity and will have an impact on early diagnosis and primary prevention.
Improvement of morphological and functional assessment of atherosclerotic lesions could lead to a more differentiate therapeutic approach (medical / interventional therapy or influence on the choice of interventional modalities). Since coronary diseases and acute coronary syndromes are common in our society, early diagnosis and prevention will have an important impact on the public health situation and can help reduce the overall cost of health care.

Transducer picture

Bild 1 / fig. 1:

IVUS Schallwandler / Intravascular ultrasound transducer

Experimental setup

Bild 2 / Fig. 2:

IVUS Schallwandler. Experimenteller Aufbau.

 

Fig. 2:

Intravascular ultrasound transducer. Experimental setup.

Results of a cryogel phantom

 
 
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Letzte Änderung: 16.02.2005 | Ansprechpartner: Webmaster