Non-invasive ultrasound measurements of vascular impedance

Abstract

Despite its introduction in the early 1950´s, vascular impedance has yet to be applied in clinical use to predict early stages of cardiovascular disease (CVD). It is defined as the ratio between blood pressure and flow and describes the opposition to blood flow within the cardiovascular system.

During this thesis project, local pulse wave velocity (PWV) and vascular impedance was estimated from in vivo ultrafast plane wave imaging recordings of the right common carotid artery in eight healthy human volunteers. Both estimations were based on the tracking of the arteries radial displacement. Motion tracking was performed by using two tracking methods: phase shift (PS)- and iterative phase shift (IPS)-tracking. The IPS-tracking is a brand new radial motion tracking method on vessels created during this project by combining existing phase shift- and block matching motion tracking methods in use at the Department of Biomedical Engineering, Lund University.

Results showed local PWV-estimations to vary, occasionally to a substantial degree, between, as much as within, volunteer recordings. For the incident pulse wave, probable PWV values totally varied between 1.58 – 7.60 m/s. For the bifurcation wave reflection, probable PWV values totally ranged between 1.06 – 16.09 m/s in the opposite direction. The vascular impedance, defined as vascular characteristic impedance used to estimate vascular input impedance, was in partial successfully determined in two volunteers. The results, however, suggest both local PWV- and vascular impedance estimations to be sensitive to slope fitting of the progressive change in cardiac cycle locations and phase between consecutive scanlines. Furthermore, vascular impedance estimations seem to require longer in vivo recordings containing multiple heart cycles to gain more certain results.

Abstract (Swedish)

Trots dess introduktion under början av 1950-talet används vaskulär impedans ännu inte i klinisk omfattning för att förutsäga tidiga stadier av hjärt-kärlsjukdomar. Definierad som förhållandet mellan blodtryck och blodflöde beskriver vaskulär impedans motståndet mot blodflödet i det vaskulära systemet.

Under detta avhandlingsprojekt uppskattades den lokala pulsvåghastigheten (PWV) och vaskulära impedansen från in vivo ultrasnabba planvågsbildningsinspelningar över den högra halspulsådern hos åtta friska frivilliga forskningspersoner. Båda uppskattningarna baserades på spårningen av artärens diametraliska rörelsemönster. Spårningen utfördes via två spårningsmetoder: fasförskjutning (PS-tracking) och iterativ fasförskjutning (IPS-tracking). IPS-metoden är en helt ny spårningsmetod för radiell rörelse hos kärl, skapad under detta projekt genom att kombinera befintliga fasförskjutnings- och block-matchande rörelsespårningsmetoder i bruk vid Avdelningen för Biomedicinsk Teknik, Lunds Universitet.

Resultaten visar på varierande lokala PWV-uppskattningar, i potentiellt väsentlig grad, mellan, såväl som inom, individuella forskningspersoners inspelningar. Den framåtgående pulsvågen uppvisade troliga PWV-värden mellan 1.58 – 7.60 m/s. För bifurkationspulsvågsreflektionen förekom sannolika PWV-värden mellan 1.06 – 16.09 m/s i motsatt riktning. Den vaskulära impedansen, definierad som vaskulär karakteristisk impedans men som används för att uppskatta vaskulär ingångsimpedans, bestämdes till största del framgångsrikt hos två forskningspersoner. Resultaten föreslår dock att både lokala PWV- och vaskulära impedansuppskattningar är känsliga för lutningsanpassningen efter den progressiva förskjutningen i hjärtcykelfas och fas mellan på varandra följande skanningslinjer. Vidare verkar vaskulära impedansuppskattningar kräva längre in vivo inspelningar med fler hjärtcykler, för att ge mer pålitliga resultat.

Popular Abstract (Swedish)

Ultraljudsmätningar av vaskulär impedans: kamrarnas arbetslast via kärlsystemet

En av västvärldens idag främsta dödsorsaker är hjärt- och kärlsjukdomar; ett problem som väntas öka ytterligare i framtiden.

Ny forskning pekar på att nyare parametrar potentiellt kan påvisa riskfaktorer i ett tidigare sjukdomsstadium än blodtrycks-mätningar, vilket skulle kunna rädda många liv. Två av dessa går att mäta icke-invasivt med ultraljud: lokal pulsvågshastighet och vaskulär impedans.

Den lokala pulsvågshastigheten beskriver hur fort hjärtats pulsvåg rör sig i det lokala kärlsystemet. Ju styvare kärlen är, desto fortare rör sig pulsvågen genom det lokala kärlsys¬temet.

Vaskulär impedans är både ett globalt och lokalt mått som beskriver motståndet mot blodflödet i det lokala kärlsystemet. Ju mindre och styvare ett kärl är, desto högre är dess vaskulära impedans. Således representerar mätningar av vaskulär impedans i aorta det totala motståndet som hjärtat måste arbeta mot för att cirkulera blodet genom hjärt- och kärlsystemet.

I examensarbetet Non-invasive ultrasound measurements of vascular impedance – Rekindling an old in-house concept on in vivo measurements utfördes in vivo uppskattningar av lokal pul¬svågshastighe¬t och vaskulär impedans i högra halspulsådern hos åtta frivilliga forskningspersoner.

Examensarbetet återuppväckte en sedan nästan 20 år uppskjuten disciplin hos LTH:s Biomedicinska teknikavdelnings ultraljudsgrupp; baserat på doktorsavhandlingen Development and evaluation of non-invasive ultrasonic methods for arterial characterization. Beroende på använd data och extraktionsmetodik varierade den framåtgående pulsvågens hastighet inom frivilliggruppen mellan 1.58 – 7.60 m/s. Ett visuellt exempel av pulsvågens framfart genom kärlet från hjärtat återfinns i Figur 1.

I frivilliggruppens undersökningsfiler återfanns även en reflekterad våg ifrån halspulsåderns bifurkationspunkt i både hastighets- och accelerationsdatan, vars hastighet uppskattades variera mellan 1.06 – 16.09 m/s i motsatt riktning. Ett visuellt exempel av den reflekterade pulsvågens framfart genom kärlet återfinns i Figur 2.

Den vaskulära impedansens frekvenskomponenter bestämdes framgångsrikt hos två forskningspersoner. Ett visuellt exempel på framgångsrikt uppskattad vaskulär impedans återfinns i Figur 3.

Utifrån Figur 3 kan en genomsnittlig impedans, även kallad karaktäristisk impedans, urskönjas visuellt till ca 50 MNs/m5.

Under examensarbetet utformades även en ny form av radiell rörelse¬mätningsteknik på ultraljudsdata hos kärl: iterative phase shift tracking (IPS-tracking eller IPT). Genom att uppskatta rörelse via successiva hopp mellan frames minskas förekomsten av ackumulativa fel i jämförelse med tidigare existerande rörelsemätningsmetoder av samma form som istället uppskattar rörelse via på varandra direkt efterföljande frames.

I vårdpraxis idag används blodtrycks-mätningar för att uppskatta hjärt- och kärlsystemets hälsotillstånd och eventuellt påvisa tecken på hjärt- och kärlsjukdomar. Blodtrycks-mätningar har dock många felkällor och påvisar sjukdomstecken först i ett framskridet tillstånd. Genom att utnyttja andra parametrar, såsom lokal pulsvågshastighet och vaskulär impedans kan hjärt- och kärlsjukdomar upptäckas tidigare och således möjliggöra räddningen av många liv. Tekniken är menad att användas med ultraljudsutrustning via så kallad ultrafast ultrasound imaging, en höghastighetsversion av medicinskt ultraljud som hittills har använts i forskningssyften under det senaste årtiondet.

När kombinerat med lokala blodflödes-mätningar kan vaskulär impedans användas för att uttrycka den vaskulära effekten; ett mått på blodets energiinnehåll i den aktuella mätpositionen. Därav, om mätt i aorta, beskriver vaskulär effekt den energi som hjärtats två kammare levererar till blodet för att driva det genom stora- och lilla kretsloppet. Genom att mäta den vaskulära effekten på olika ställen i kärlsystemet kan även energifördelningen i systemet kartläggas och hjälpa uppskatta dess effektivitet.

Trots utmaningar och stundtals hög variation i in vivo mätningarna ses examensarbetets resultat som lovande och bådar gott för framtida forskning inom området.

• author: Larsson, Roger
• supervisor: Magnus Cinthio; Tobias Erlöv
• organization: Department of Biomedical Engineering
• alternative title: - Rekindling an old in-house concept on in vivo measurements -
• course: BMEM01 20182
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Ultrasound, ultrafast ultrasound imaging, vascular impedance, pulse wave velocity, motion tracking
• language: English
• additional info: 2018-22
• id: 8964711
• date added to LUP: 2019-01-18 13:57:05
• date last changed: 2019-01-18 13:57:05