Directional Ultrasound Elastography for Diagnosis of Heart Disease

Abstract

심혈관 질환은 전 세계적으로 사망의 주요 원인입니다. 이러한 높은 사망률의 주요 원인 중 하나는 효과적으로 병을 조기에 진단할 수 있는 진단 방법이 부족하기 때문이다. 최근 에는 조직의 기계적 특성이 병리학적 상태와 밀접하게 관련되어 있다는 사실을 바탕으로 탄성 영상이라는 진단 방법이 발전하고 있다. 하지만 심장 조직은 심근섬유의 방향 때문에 이방성 기계적 특성을 지니며, 이는 탄성 영상을 이용한 심장 질환 진단을 어렵게 한다. 본 논문은 이러한 어려움을 고려하여 심장 조직 진단에 탄성 영상을 적용하는 방법을 다룬다. 특히, 탄성 영상 기법 중 초음파 기반의 전단파 탄성 영상을 고려하여 심장 조직의 정량적 상태 평가를 위한 새로운 영상 시스템 및 진단 지표를 제안한다. 첫 번째로, 심장 조직의 이방성 기계적 특성을 다루기 위한 새로운 초음파 기반 전단파 탄성 영상 시스템을 제안한다. 기존의 초음파 전단파 탄성 영상 시스템을 이용하여 돼지 심장의 다양한 방향과 위치에 따른 기계적 특성 변화를 분석하여 새로운 초음파 전단파 탄성 영상 시스템 개발의 필요성을 보여준다. 이를 바탕으로 체외 방향성 전단파 탄성 영상 시스템을 개발하고, 절제된 돼지 심장 조직의 이방성 기계적 특성을 관찰한다. 두 번째로, 이방성 기계적 특성을 평가하는 새로운 지표를 제안한다. 이방성 기계적 특성을 평가하는 기존 지표는 심장 조직의 점도와 기하학의 영향으로 인해 심장 질환을 정 확하게 진단하기에 충분하지 않다. 따라서 심장 조직의 이방성 기계적 특성을 정량화하기 위한 새로운 지표로 최대 코사인 유사도가 제안한다. 이 지표는 전파 방향에 따라 전단파 속도의 주기 및 모양을 분석하여 이방성 기계적 특성을 평가한다. 독소루비신을 사용한 쥐 심장 실험을 수행하고, 실험 데이터에 최대 코사인 유사도를 적용하였다. 쥐 심장의 조 직병리학적 변화와 쥐 심장에 대한 최대 코사인 유사도 결과의 비교를 통해 최대 코사인 유사도를 유효성을 보여준다. 마지막으로, 심장의 이방성 기계적 특성을 측정하기 위한 새로운 유형의 초음파 변환 기를 제안한다. 외부에서 심장을 측정하는 기존 방법은 침투 깊이가 깊어야 하기 때문에 저주파 초음파 프로브를 사용한다. 그러나 진단 정확도를 높이고 조기 발견을 가능하게 하 려면 고주파수 프로브를 사용해야 한다. 따라서 본 논문에서는 심장 내 탄성 영상 시스템을 제안한다. 하지만 심장 내 심장초음파 카테터의 크기가 제한되어 있기 때문에 모든 방향에 서 이방성 거동을 측정하는 것이 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 세 가지 다른 방향에서 전단파 속도를 측정하는 새로운 심장 내 초음파 변환기를 설계하고 측정된 세 가지 전단파 속도를 사용하여 이방성 기계적 특성을 추정하는 것이 심장 내 탄성파 시스템에 적용된다. 심장 내 탄성 영상 시스템은 체외 방향성 전단파 탄성 영상 시스템과 비교하여 유효성이 검증된다.|Cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide. One of the primary reasons for the high mortality rate is the lack of effective diagnostic methods for early detection. Conventional diagnostic methods are generally applied to evaluate the extent of cardiac damage after cardiac dysfunction has manifested. Therefore, advances in diagnostic methods and the development of diagnostic instruments are still needed. The mechanical properties of biological tissues, including heart tissue, are closely related to pathological states, as diseases alter the mechanical properties of tissue. Based on this relation, a medical imaging method called elastography could serve as an advanced diagnostic method for assessing the condition of heart tissue. However, heart tissue exhibits anisotropic mechanical behavior (directional mechanics) because of the direction of the fiber, which causes challenges in the diagnosis of heart disease. This dissertation addresses applications of ultrasound-based elastography to a diagnosis of heart tissue considering these challenges. Specifically, ultrasound-based shear wave elastography is addressed in this dissertation to evaluate the quantitative state of heart tissue. The first problem addresses the anisotropic mechanical behavior of the heart and proposes the necessity of a new ultrasound elastography system for evaluating directional mechanics. The mechanical behaviors at different directions and different locations are analyzed on dissected swine hearts. It implies the necessity of a directional ultrasound elastography system. Based on this result, an ex vivo directional ultrasound elastography system is developed, which allows an observation of anisotropic mechanical behavior for the dissected tissues. The second problem concerns a metric to quantify directional mechanics. Conventional metrics quantifying directional mechanics are insufficient for accurately diagnosing heart disease due to the influence of viscosity and geometry of heart tissues. Thus, a new metric, maximum cosine similarity, is proposed. This metric quantifies directional mechanics by evaluating the periodicity and shape of the shear wave speeds depending on the propagation directions. Animal experiments were performed on forty rat hearts, some of which were administered doxorubicin. The histopathological changes of the rat heart agree with the results of maximum cosine similarity in rat hearts, which validates maximum cosine similarity. Finally, we propose a new type of ultrasound transducer for measuring the directional mechanics of the heart. Existing methods for measuring the heart externally utilize low- frequency ultrasound probes due to the need for greater penetration depth. However, improving diagnostic accuracy and enabling early detection requires the use of higher- frequency probes. Consequently, the development of an intracardiac elastography system is necessary. However, it is difficult to measure the anisotropic behavior in all directions because intracardiac echocardiography catheters are limited in size. To solve this problem, we designed a new intracardiac ultrasound transducer to measure shear wave speed in three different directions, and the estimation method for directional mechanics, using three measured shear wave speeds, was applied to the intracardiac elastography system. The intracardiac elastography system is validated through the comparison to ex vivo directional ultrasound elastography system.