Ultrasonic Methods for 2D Arterial Wall Movement Measurements

Abstract

Cardiovascular diseases constitute the major cause of morbidity and mortality in the Western World. To increase our knowledge of cardiovascular diseases, it is important to find methods, preferably non-invasive ones, to study very early manifestations of vascular disease. Changes in the mechanical properties of the arteries can be an early manifestation of vascular disease. Further, changes in the mechanical properties of arteries can have important haemodynamic consequences, and are being increasingly recognised as important factors in cardiovascular morbidity and mortality. To obtain a measure of the mechanical properties in the arteries, arterial characterisation is performed. This thesis consists of seven papers concerning arterial characterisation and new ultrasonic methods for arterial characterisation.



The first paper is an introduction and an overview of the area around vessel characterisation.



Papers II and III describe and evaluate a new method for local non-invasive pulse-wave velocity (PWV) estimation. The PWV estimation was based on arterial-wall movement, which was detected by Tissue Doppler Imaging (TDI). The method was evaluated and optimised on an <i>in vitro</i> set-up and validated <i>in vivo</i> with respect to repeatability and reproducibility in a clinical study. In the evaluation, it was shown that system parameters have a significant effect on the PWV variance, whereas the PWV mean remains unchanged. Furthermore, it was established that high temporal resolution is the most vital parameter for minimising the PWV variance.



The <i>longitudinal</i> movement of blood-vessel walls has so far gained little or no attention, as it has been presumed that these movements are of a negligible magnitude. The fourth paper presents results from the first <i>in vivo</i> study with a new unique ultrasonic method for measurement of both the radial and the longitudinal movement of the arterial wall, and it is shown that the magnitude of the longitudinal movement is not negligible, that movement due to breathing affects the recording of arterial longitudinal movement in common carotid artery, and that there was a shear stress present within the arterial wall in one volunteer. The new unique ultrasonic method is evaluated <i>in vitro</i> in paper V, and accuracy, reproducibility, and resolution were all considerably better than the resolution of the applied ultrasound scanner.



The sixth paper describes a new method for arterial luminal diameter measurement with ultrasound. Features of the new method are its robustness, fastness, and resolution. The method was calibrated on a vessel phantom and was evaluated <i>in vivo</i> with respect to accuracy and reproducibility, which both were considerably better than the resolution of the applied ultrasound scanner.



The seventh paper presents results from an <i>in vivo</i> study where a new digitised ultrasonic method called Elastart, which measures arterial lumen diameter at diastole and arterial distension with tissue Doppler, is compared with a golden standard method. The evaluation of the method <i>in vivo</i> against a golden standard showed that no difference in reproducibility between the two systems could be found. However, measurements of the arterial lumen diameter showed a slight underestimation of the Elastart system compared with the golden standard.

Abstract (Swedish)

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 <i>in vivo</i> 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 <i>in vivo</i> 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.

• author: Cinthio, Magnus
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Brodin, Lars-Åke, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden
• organization: Department of Biomedical Engineering
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medical Engineering
• keywords: tissue Doppler imaging, Cardiovascular system, Diagnostik, Diagnostics, Kardiovaskulära systemet, arteries, ultrasound, shear stress, axial movement, radial movement, Arterial distension, Arterial lumen diameter, PWV, Arterial longitudinal movement, pulse-wave velocity
• pages: 163 pages
• defense location: Room E:1406, E-building, at Lund Institute of Technology, Lund University
• defense date: 2004-12-10 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTEDX/TEEM - - 1080 - - SE
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I Non-Invasive Ultrasonic Vessel CharacterisationMagnus CinthioReport 4/2004, Department of Electrical Measurements, Lund Institute of Technology, Lund University, ISSN 0346-6221, ISRN LUTEDX/ TEEM - - 3020 - -. 2004. Article: II Arterial Pulse-Wave Velocity with Tissue Doppler VelocityA. Eriksson, E. Greiff, T. Loupas, M. Persson and P. PesqueUltrasound Med. Biol. Vol. 28, pp 571–580, 2002. Article: III Estimation of Arterial Pulse-Wave Velocity with a New Improved Tissue Doppler MethodM. Persson, A. Eriksson, H. W. Persson and K. LindströmIn the Proceedings of the 23rd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, October 25–28, Istanbul, Turkey, pp 188–191, 2001. Article: IV A New Non-Iinvasive Ultrasonic Method for Simultaneous Measurements of Longitudinal and Radial Arterial Wall Wovements: First in vivo TrialM. Persson, Å. Rydén Ahlgren, T. Jansson, A. Eriksson, H. W. Persson and K. Lindström. Clin Physiol. Funct. Imaging Vol. 23, pp 247–251, 2003. Article: V Evaluation of an Ultrasonic Echo-Tracking Method for Measurements of Arterial Wall Movements in Two DimensionsM. Cinthio, Å. Rydén Ahlgren, T. Jansson, A. Eriksson, H. W. Persson and K. Lindström. Submitted to Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. Article: VI A Robust and Fast Algorithm for Automatic Arterial Diameter Measurement with UltrasoundM. Cinthio, A. Eriksson, T. Jansson, H. W. Persson and K. Lindström.In Manuscript. Article: VII Detection of Arterial Wall Motion Using Tissue Doppler Imaging — Validation of New Digitised Ultrasonic Technique in the Study of Mechanical Properties of ArteriesM. Cinthio, K. Öberg, A. Eriksson, K. Lindström and T. Länne.In Manuscript.
• id: 07d294ed-1540-4874-8ff5-f84aabfc737b (old id 467661)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:47:29
• date last changed: 2018-11-21 20:36:24