Investigating hepatic microvascular dynamics through functional ultrasound imaging

Microcirculation has a primary role in several biological tissues, involving removal of metabolic waste products and carriage of oxygen and nutrients. Hepatic microvasculature is of extreme interest in pathophysiology because it is the pivotal functional element of the several and vital hepatic functions. Literature studies show that many disease states affecting patients arise from microcirculatory dysfunctions, highlighting its crucial role in the correct organ functionality. Therefore, a right monitoring of microvasculature is required to provide better care to the patients and deeper knowledge of the diseases. Imaging techniques used for investigating microvasculature encompass Near-Infrared Spectroscopy (NIRS), Orthogonal Polarization Spectroscopy (OPS) and Sidestream Dark Field imaging (SDF). Unfortunately, these methods are not suitable for in vivo clinical diagnostic of microcirculation, because of their too low penetration depth and the small field of view (FOV). Hence, a new imaging technique based on Doppler ultrasound imaging has been recently developed, called ‘functional ultrasound imaging’ (fUS). Image acquisition is performed through the coherent sum of compound images, obtained with plane wave (instead of focused waves) at different angles; fUS allows a better visualization of the microvasculature bed, because of the higher frame rate (compared to conventional Doppler method), which increases image sensitivity and image SNR. In this thesis project, a signal processing procedure to analyze the information content of hepatic fUS recordings has been developed: the procedure involves noise removal, several operations on image sets, contrast and brightness enhancement. Successively, analysis on available data has been performed with the aim of extracting useful biological information, such vessels diameter, vessels perfusion, effect of different drugs (Nitrolgycerin and Dobutamine) on the microvascular dynamics. Finally, analysis on intestine image sets has been performed too, focusing on signal related to villi.

La microcircolazione ha un ruolo primario in diversi tessuti biologici, quali la rimozione dei prodotti di scarto metabolici e il trasporto di ossigeno e nutrienti. La microvascolatura epatica è di estremo interesse in fisiopatologia perché è l' elemento funzionale cardine delle numerose e vitali funzioni epatiche. La letteratura mostra che molte patologie che colpiscono i pazienti derivano da disfunzioni microcircolatorie, evidenziandone il ruolo cruciale nella corretta funzionalità dell' organo. Pertanto, un corretto monitoraggio della microvascolatura è indispensabile per fornire una migliore cura ai pazienti e avere una conoscenza più approfondita delle malattie. Le tecniche di imaging utilizzate per lo studio della microvasculatura comprendono Near-Infrared Spectroscopy (NIRS), Orthogonal Polarization Spectroscopy (OPS) e l’imaging Sidestream Dark Field (SDF). Purtroppo, questi metodi non sono adatti per la diagnosi clinica in vivo della microcircolazione, a causa della loro profondità di penetrazione troppo bassa e del piccolo campo visivo (FOV). Di conseguenza, è stata recentemente sviluppata una nuova tecnica di imaging basata sull’ecografia Doppler, denominata "imaging funzionale ad ultrasuoni" (fUS). L' acquisizione dell' immagine avviene attraverso la somma coerente di immagini ottenute con onde piane (invece di onde focalizzate) ad angoli diversi; la fUS permette una migliore visualizzazione della microcircolazione, grazie al frame rate più elevato (rispetto ai metodi di Doppler convenzionali), che aumenta la sensibilità dell' immagine e il SNR. In questo progetto di tesi, è stata sviluppata una procedura di elaborazione delle immagini e dei segnali per analizzare il contenuto informativo delle registrazioni fUS eseguite su fegato: la procedura prevede la rimozione del rumore, diverse operazioni sui set di immagini, miglioramento del contrasto e della luminosità. Successivamente è stata effettuata un'analisi dei dati disponibili, con lo scopo di estrarre informazioni biologiche utili, quali il diametro del vasi, la loro perfusione, l'effetto di diversi farmaci (Nitroglicerina e Dobutamina) sulla dinamica microvascolare. Infine, è stata eseguita anche un’analisi su set di immagini acquisite da intestino, concentrandosi sul segnale relativo ai villi.