Ultrasonic Methods for 2D Arterial Wall Movement Measurements

Abstract: Popular Abstract in Swedish Hjärt- och kärlsjukdomar är den största enskilda orsaken till en för tidig död i västvärlden. För att öka kunskapen om dessa sjukdomar är det viktigt att finna mätmetoder, gärna icke-invasiva, som kan användas för att studera tidiga yttringar av hjärt- och kärlsjukdomar. Förändringar av de mekaniska egenskaperna i artärerna kan vara en sådan tidig yttring. För att få ett mått på kärlens mekaniska egenskaper utförs kärlkarakterisering. Kärlkarakterisering kan utföras med många olika metoder, både invasiva och icke-invasiva. Ingen av dagens metoder är perfekt, så många olika används parallellt. De metoder som använder ultraljud tillhör de mest lovande men mycket arbete återstår innan det finns en metod som är så enkel och pålitlig att den kan användas för screeningsverksamhet, vilket är det ultimata målet. Den här avhandlingen består av sju artiklar angående kärlkarakterisering och nya ultraljudsmetoder för kärlkarakterisering. Den första artikeln är en introduktion och översikt om kärlkarakterisering. Den andra artikeln beskriver och utvärderar en ny non-invasiv metod för pulsvågshastighetsmätning (PWV). PWV mäts via kärlväggsrörelser som detekteras med vävnadsdoppler. Vävnadsdopplern mäter kärlväggarnas rörelsehastighet i 16 linjer nästan samtidigt, skilda åt med 1,2 mm sinsemellan. Tidsfördröjningen mellan linjerna beräknas med hjälp av korskorrelation. Avståndet mellan linjerna är i sammanhanget mycket litet, vilket gör tidsskillnadsmätningen till en utmaning då fördröjningen mellan linjerna är väldigt liten. Detta löses genom att man mäter fördröjningen mellan alla möjliga kombinationer av linjer. Exempelvis används linje ett mellan (1–2, 1–3, 1–4 osv.) och linje två mellan (2–3, 2–4, 2–5 osv.) tills alla fördröjningar mätts upp. De uppskattade fördröjningarna sätts in i ett diagram för skattning av pulsvågshastigheten genom en linjeskattning mellan fördröjningspunkterna. Metoden utvärderades och optimerades på en in vitro uppställning samt demonstrerades i en begränsad in vivo studie. I utvärderingen visades att ultraljudssystemets inställningar hade signifikant effekt för spridningen av pulsvågshastighetsmätning, då däremot medelvärdet på PWV var oförändrad. Vidare var det klarlagt att hög tempral upplösning är den mest vitala parametern för att minimera spridningen på PWV. I den tredje artikeln är förbättringar introducerade för att öka upplösningen och reproducerbarheten för den föreslagna metoden för pulsvågshastighetsmätning. Den förbättrade metoden blev validerad in vivo i en klinisk studie. En etablerad metod för kärlkarakterisering av de arteriella blodkärlen inom kardiovaskulär forskning är att mäta den radiella rörelsen, diameterförändringen, hos artärerna. I motsats till den radiella rörligheten hos kärlväggen har den longitudinella rörelsen, längs med kärlet, fått ingen eller nästan ingen uppmärksamhet. Den har förmodats kunna negligeras i jämförelse med den radiella utifrån från mätningar på utsidan av blodkärlet på 1960-talet. Emellertid har vår grupp på institutionen för Elektrisk Mätteknik, Lunds Tekniska Högskola och avdelningen för Klinisk Fysiologi, Malmö Universitetssjukhus nyligen rapporterat att med modernt ultraljud kan man se att de innersta lagren hos de arteriella blodkärlen inte bara rör sig radiellt utan också longitudinellt. För att kunna studera dessa fenomen har vi utvecklat en ny oblodig metod som med ultraljud simultant kan registrera den longitudinella och radiella rörelsen hos den arteriella kärlväggen. I artikel fyra presenteras de första försöken på en frisk medelålders försöksperson. Det registrerades en lika stor longitudinell rörelse som den radiella och ännu mer förvånande var att rörelsen, som gick mot blodflödet, var större än den longitudinella rörelsen i blodflödets riktning. Dessutom registrerades att det finns skjuvkrafter närvarande inuti kärlväggen. Detta är helt ny information med stor betydelse för framtida studier av kärlsystemet och den vaskulära mekaniken och således också för studier av åderförkalkning. Existerande metoder som föreslås användas för att förutse åderförkalning förutsätter att kärlväggen står stilla longitudinellt vilket vi har visat att den inte gör. I den femte artikeln utvärderas den nya unika mätmetoden för två-dimensionell kärlväggsrörlighet. Resultaten visar att noggrannheten, reproducibiliteten och upplösningen var betydligt bättre än ultraljudssystemets upplösning. Den sjätte artikeln beskriver en ny metod för arteriell lumendiametermätning med hjälp av ultraljud. Den nya metoden bestämmer väggens placering genom en kombinerad lutnings- och tröskeldetekteringsalgorithm. När väggens placering blivit detekterad ökas upplösningen genom att man löser den räta linjens ekvation (y = kx + m)i punkterna runt tröskelvärdet. Detta förfaringssätt gjorde att metoden fick mycket bra upplösning, blev snabb och robust. Den nya metoden kalibrerades på en kärlfantom tillverkad i agar, ett akustiskt vävnadslikt material. Därefter utvärderades den nya metoden in vivo med tanke på noggrannhet och reproducerbarhet, och båda visades vara betydligt bättre än ultraljudssystemets upplösning. I den sjunde artikeln utvärderas en, av oss, nyutvecklad metod för kärlkarakterisering av artärer som kallas Elastart. Metoden mäter den radiella kärlväggsrörelsen med vävnadsdoppler (TDI) och den absoluta kärlväggsdiametern med metoden som presenterades i artikel sex. Därefter beräknas de lokala väggstyvhetsstorheterna DC och CC. Elastart jämfördes med en etablerad metod kallad ”Walltrack”, och ingen skillnad kunde visas mellan systemen vad gäller reproducerbarheten.