Methods and algorithms for the quantification of blood flow in the microcirculation with contrast enhanced ultrasound

Abstract

Η υπερηχογραφία με σκιαγραφικές ουσίες [Dynamic Contrast-Enhanced Ultrasound (DCEUS)] παρέχει σημαντικές δυνατότητες σαν κλινικό εργαλείο για την ανάλυση και ποσοτικοποίηση της αιμάτωσης των ιστών καθώς και για την κατανόηση της αγγειογέννεσης παθήσεων. Συγκεγκριμένα η πρόοδος νοσημάτων όπως κακοήθης ηπατικοί όγκοι, καρκινώματα στους νεφρούς και αθηρωματικές πλάκες στην καρωτίδα μπορεί να παρακολουθείται με την ποσοτικοποίηση του DCEUS. Ωστόσο η αξιόπιστη ποσοτικοποίηση με DCEUS έχει περιορισμούς όπως η εξάρτηση από τις ικανότητες του χειριστή, κορεσμό σήματος, φυσιολογική κίνηση και θόρυβο στίγματος. Σε αυτη την διδακτορική διατριβή παρουσιάζεται ένας καινότομος αλγόριθμος για την αυτόματη διόρθωση της αναπνευστικής κίνησης [Automatic Respiratory Gating (ARG)] ο οποίος ανταποκρίνεται στις δυσκολίες στην χρήση μοντέλων indicator dilution για την ποσοτικοποίησης της αιμάτωσης σε ιστούς με σημαντική ροή αίματος όπως ηπατικοί όγκοι. Σε αντίθεση οι αθηρωματικές πλάκες στην καρωτίδα έχουν ελάχιστη ροή αίματος κατά συνέπεια σχεδιάστηκε μέθοδος για την ποσοτικοποίηση του ποσοστού έκτασης της αιμάτωσης της πλάκας δεδομένου ότι τα μοντέλα indicator dilution δεν ισχύουν. Ο καινοτόμος αλγόριθμός ARG ξεπερνά αρκετά μειονεκτήματα αλγόριθμων διόρθωσης αναπνευστικής κίνησης που υπάρχουν στην βιβλιογραφία επιδεικνύοντας την ικανότητα να αφαιρεί την κίνηση εντός και εκτός του απεικονιστικού επιπέδου, υψηλή υπολογιστική απόδοση διορθώνοντας μία 2 λεπτών διάρκειας απεικόνιση σε λιγότερο από 10 δευτερόλεπτα και ευκολία στην χρήση. Η αύξηση στην αξιοπιστία με την χρήση του ARG σε όγκους του ήπατος αποδεικνύεται με την χρήση κλινικών δεδομένων με μία σημαντική αύξηση στην ποιότητα προσαρμογής του μοντέλου στα δεδομένα (p<0.05). Ένα μοντέλο εξομοίωσης της αναπνευστικής κίνησης αναπτύσσεται για την διερεύνηση της ικανότητας του αλγόριθμου ARG στην μείωση του ποσοστιαίου σφάλματος των παραμέτρων ποσοτικοποίησης από τις πραγματικές τους τιμές. Το μοντέλο αποδεικνύει ότι η χρήση του ARG μπορεί να μειώσει το μέγιστο σφάλμα στις παραμέτρους από 32.3% σε 6.2%. Επίσης διερευνώνται οι επιπτώσεις στην ποσοτικοποίηση με την παρουσία πολλαπλασιαστικού θορύβου. Ένας αλγόριθμός αναπτύσσεται για τον υπολογισμό του ποσοστού έκτασης της αιμάτωσης των αθηρωματικών πλακών στην καρωτίδα με την χρήση DCEUS. Η ποιοτική βαθμονόμηση της αιμάτωσης των αθηρωματικών πλακών χρησιμοποιείτε για την επικύρωση της ποσοτικοποίησης. Η ποιοτική όπως και η ποσοτική βαθμονόμηση της αιμάτωσης των αθηρωματικών πλακών αποδεικνύουν ότι η έκταση της αιμάτωσης στις πλάκες σε συμπτωματικούς ασθενείς είναι σημαντικά μειωμένη σε σχέση με τους ασυμπτωματικούς (p<0.05). Το ποσοστό έκτασης της αιμάτωσης της πλάκας παρέχει την δυνατότητα της ταυτοποίησης των χαρακτηριστικών ευάλωτων πλακών όπως επίσης και αλλαγές στην μικροροή με την χρήση αντιαθηρωματικών θεραπειών.

Dynamic contrast enhanced ultrasound (DCEUS) holds great promise as a clinicaltool for the analysis and quantification of tissue perfusion and it can provide valuable insight into the development of disease neovascularization. Specifically the progress of diseases such as malignant liver lesions, renal carcinomas and carotid atherosclerotic plaques can be monitored using quantitative DCEUS. However the reliable implementation of quantitative DCEUS has several limitations like operator dependence, signal saturation, physiological motion and speckle noise. In this thesis a novel automatic respiratory gating (ARG) algorithm is developed to address challenges in the use of indicator dilution models for the quantification of tissue perfusion that exhibits a high amount of blood flow such as liver lesions. Contrary carotid plaques exhibit very low blood flows and a method is formulated to calculate the percent perfusion coverage of the plaque’s area given than indicator dilution models are not applicable. The novel ARG developed overcomes many of the limitations of respiratory compensation methods published in the literature demonstrating efficiency in removing inplane as well as out-of-plane motion, high computational speed by processing a 2 minute DCEUS acquisition in less than 10 seconds and ease of implementation. The increase in the reliability of liver lesion DCEUS quantification with the use of ARG is demonstrated using clinical data with a significant increase in the quality-of-fit of perfusion modeling (p<0.05). A respiratory motion simulation model (RMSM) is constructed to investigate the efficiency of ARG in reducing the percentage error of DCEUS quantification parameters from their true values. The RMSM demonstrates a decrease in the maximum percentage error of DCEUS quantification parameters from 32.3% to 6.2% with the use of ARG. The implications of the presence of multiplicative noise in liver lesion DCEUS acquisitions are also studied and quantified using the RMSM. An algorithm is developed for the calculation of the percent perfusion coverage of carotid atherosclerotic plaques from DCEUS acquisitions. Visual scores of carotid plaque perfusion are used to validate the results from the DCEUS quantification analysis. Both the percent perfused area with DCEUS quantification analysis and the qualitative scores demonstrate that the extent of carotid plaque perfusion for symptomatic patients is significantly less than asymptomatic (p<0.05). Percent perfusion coverage has the potential to identify the perfusion characteristics of vulnerable carotid plaques and to also assess changes in the microflow caused by anti-atherosclerotic therapies.