On the Use of Ultrasound Phase Data for Arterial Characterization

Abstract

Atherosclerosis is one of the major causes of death in the world. It is an inflammatory disease in the arteries which causes a gradual increase in arterial wall thickness and stiffness. Eventually a plaque could be formed, protruding into the artery and partially occluding the blood flow. Rupture of such a plaque could cause cardiac infarction or stroke. This dissertation revolves around finding better methods to detect and diagnose different stages of atherosclerosis and also to better understand the physiology of arteries. The methods developed and presented in this dissertation are all based on non-invasive ultrasound images. Ultrasound is the most common tool to image, particularly, the carotid artery in clinics today.

The first method utilizes the time domain phase of the ultrasound radio frequency data for plaque/tissue characterization. The center frequency of the backscattered signal is estimated using phase differences measured in the time domain. We have shown that there is a clear correlation between the center frequency shift (CFS) and scatter size using a series of agar phantoms with well-defined sizes of glass beads. We have also shown that the CFS can be used in vivo to determine carotid plaque vulnerability. The method could potentially become a useful tool to identify patients at risk for development of acute cardiovascular events as well as to monitor response to interventions. The second and third methods are based on motion tracking (one is again based on time domain phase data) and could be used to measure e.g. the longitudinal movement of the arterial wall. The longitudinal movement is a relatively recent discovered physiological phenomena and could potentially be used as an image-derived biomarker for vascular dysfunction. Measurements of the longitudinal movement are also interesting from a physiological point of view since the mechanism behind it is unclear. The fourth and fifth methods measure the thickness and diameter of the arterial wall during the cardiac cycle. Arterial wall thickness measurements are a standard procedure in cardiovascular research and may be used for early diagnosis of atherosclerosis. Although there is a large number of automatic methods developed for this purpose, most of these measurements are still made manually. One of our methods is the first to automatically measure the thickness and diameter of arteries in a small animal model.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hjärt- och kärlsjukdomar som till exempel åderförkalkning utgör en av världens vanligaste dödsorsaker. I den här avhandlingen har vi utvecklat olika metoder som med hjälp av bildanalys ger värdefull information om kärlväggen i syfte att förbättra kunskapen om artärer och framförallt åderförkalkning. I avhandlingen presenteras fem olika metoder som alla är baserade på bilder som är tagna med hjälp av ultraljud. Tillsammans möjliggör dessa metoder nya och säkrare sätt att diagnostisera olika skeden av åderförkalkning. Till exempel har vi visat att en av metoderna kan användas för att karaktärisera arteriella plack, vilket kan innebära en säkrare bedömning om en patient riskerar att drabbas av stroke eller hjärtinfarkt.

Åderförkalkning innebär att kärlen i kroppen blir allt stelare. Bindväv, fett och inflammatoriska partiklar samlas i kärlväggarna som blir gradvis tjockare. En lokal större ansamling av till exempel fett och inflammatoriska partiklar kallas för ett arteriellt plack. Plack kan vara så stora att de trycker in kärlväggen i blodbanan och hindrar blodflödet. Det finns alltid en risk att kärlväggen runt ett plack spricker. När detta händer börjar blodet koagulera och det bildas en propp. Detta innebär en akut kärlkomplikation där blodflödet stoppas och efterliggande vävnad snabbt lider av syrebrist. Hjärtinfarkt (propp i hjärtat) och stroke (propp i hjärnan) är två vanliga följder. Hur stor risken är att ett plack brister beror till stor del på plackets innehåll. Plack med en stor kärna av fett och inflammerade celler innebär en stor risk medan ett plack med mycket bindväv utgör en mindre risk. Idag saknas effektiva verktyg i både sjukvård och medicinsk forskning för att på ett optimalt sätt diagnostisera graden av åderförkalkning, både i tidiga och sena skeden. Det finns idag inget effektivt sätt att i förväg se om ett arteriellt plack är farligt (har stor risk att brista) eller inte, vilket hade varit önskvärt vid till exempel bedömning om en patient ska opereras eller inte.

Syftet med den första metoden (presenteras i artikel I och II) är att ta fram ett mått i ultraljudsignalen som är vävnadsberoende och som därmed kan användas för att bedöma om arteriella plack är farliga eller inte. En enda ultraljudspuls innehåller många olika frekvenser och när ljudet reflekteras fördelas dessa frekvenser olika beroende på vilken vävnad det är. Till exempel kan storleken på vävnadens reflekterande strukturer spela en betydande roll. Med denna metod mäter vi frekvens i tidsdomänen vilket innebär att vi endast mäter medelfrekvensen, fast med högre noggrannhet och bättre upplösning jämfört med andra metoder, så kallade spektralmetoder. I den ena artikeln utvärderar vi hur vår uppmätta frekvens relaterar till just storleken på spridarna (reflekterande strukturer/objekt) med hjälp av fantomer, alltså konstgjorda material som liknar mänsklig vävnad. Resultatet visade ett starkt samband som också väl följde den teoretiska modell vi använde. I den andra artikeln testar vi metoden på mänskliga plack i halspulsådern. Det visade sig finnas ett starkt samband mellan resultatet från metoden och hur farliga placken var. Metoden har därför potential att ge en säkrare bedömning om en patient riskerar att drabbas av stroke eller hjärtinfarkt.

Två av de andra metoderna (presenteras i artikel III och VII) baseras på rörelsemätning. Sådana metoder är användbara för att mäta vävnadsegenskaper som till exempel elasticitet men även förekomsten av en rörelse och storleken på den kan vara av stort intresse, både inom fysiologisk och patofysiologisk forskning. Den ena metoden är en generell rörelsemätningsmetod som på ett unikt och mycket snabbt sätt beräknar rörelsen i ultraljudsbilder. Den andra metoden är speciellt utformad för att mäta den longitudinella rörelsen (längs med blodflödet) i kärlväggen. Den longitudinella rörelsen och den skjuvning som uppstår inuti väggen har upptäckts och undersökts först under de senaste tio åren, först av vår forskargrupp men senare även av ett flertal andra. Syftet med just denna metod var att för första gången mäta den kontinuerliga fördelningen av skjuvningen. Resultatet visade att en mycket stor del av skjuvningen sker i övergången mellan kärlväggens två yttre lager, något som kan vara av stort intresse inom den fysiologiska forskningen.

De resterande två metoderna (presenteras i artiklarna IV, V och VI) mäter med hjälp av segmentering väggtjockleken och diametern på blodkärl och hur dessa varierar under ett hjärtslag. Syftet är att på ett snabbt och automatiskt sätt (ofta utvärderas många tusen patienter) ge kunskap om tidiga förändringar i kärlväggens dimensioner och elasticitet på grund av åderförkalkning. Vår metod kan användas för mätningar på till exempel halspulsådern men är också den första metoden som samtidigt och automatiskt kan mäta både diameter och tjocklek på artärer i små djur.

• author: Erlöv, Tobias
• supervisor: Magnus Cinthio
• opponent: Professor Konofagou, Elisa, Department of Biomedical Engineering, Columbia University, New York, N; Department of Radiology,Columbia University, New York, NY
• organization: Department of Biomedical Engineering
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medical Image Processing
• keywords: Atherosclerosis, Ultrasound, Carotid Artery, Plaque Characterization, Scatter Size, Longitudinal Movement, Intima-Media Thickness
• defense location: Lecture hall E:1406, building E, Ole Römers väg 3, Lund University Faculty of Engineering (LTH), Lund
• defense date: 2015-09-25 10:15:00
• ISBN: 978-91-7623-453-2
• ISBN: 978-91-7623-452-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c5006fb7-f64c-48f1-b720-eeeb0bbdeca1 (old id 7792083)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:03:00
• date last changed: 2018-11-21 20:56:25