On the Use of Ultrasound Phase Data for Arterial Characterization

Sammanfattning: 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.