Acoustic radiation force impulse imaging (ARFI) on an IVUS circular array.

Our long-term goal is the detection and characterization of vulnerable plaque in the coronary arteries of the heart using intravascular ultrasound (IVUS) catheters. Vulnerable plaque, characterized by a thin fibrous cap and a soft, lipid-rich necrotic core is a precursor to heart attack and stroke. Early detection of such plaques may potentially alter the course of treatment of the patient to prevent ischemic events. We have previously described the characterization of carotid plaques using external linear arrays operating at 9 MHz. In addition, we previously modified circular array IVUS catheters by short-circuiting several neighboring elements to produce fixed beamwidths for intravascular hyperthermia applications. In this paper, we modified Volcano Visions 8.2 French, 9 MHz catheters and Volcano Platinum 3.5 French, 20 MHz catheters by short-circuiting portions of the array for acoustic radiation force impulse imaging (ARFI) applications. The catheters had an effective transmit aperture size of 2 mm and 1.5 mm, respectively. The catheters were connected to a Verasonics scanner and driven with pushing pulses of 180 V p-p to acquire ARFI data from a soft gel phantom with a Young's modulus of 2.9 kPa. The dynamic response of the tissue-mimicking material demonstrates a typical ARFI motion of 1 to 2 microns as the gel phantom displaces away and recovers back to its normal position. The hardware modifications applied to our IVUS catheters mimic potential beamforming modifications that could be implemented on IVUS scanners. Our results demonstrate that the generation of radiation force from IVUS catheters and the development of intravascular ARFI may be feasible.

Reconstruction 3D des artères par imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) et angiographie monoplan

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

REALISTIC IVUS IMAGE GENERATION IN DIFFERENT INTRALUMINAL PRESSURES

Intravascular ultrasound (IVUS) phantoms are important to calibrate and evaluate many IVUS imaging processing tasks. However, phantom generation is never the primary focus of related works; hence, it cannot be well covered, and is usually based on more than one platform, which may not be accessible to investigators. Therefore, we present a framework for creating representative IVUS phantoms, for different intraluminal pressures, based on the finite element method and Field II. First, a coronary cross-section model is selected. Second, the coronary regions are identified to apply the properties. Third, the corresponding mesh is generated. Fourth, the intraluminal force is applied and the deformation computed. Finally, the speckle noise is incorporated. The framework was tested taking into account IVUS contrast, noise and strains. The outcomes are in line with related studies and expected values. Moreover, the framework toolbox is freely accessible and fully implemented in a single platform. (E-mail: fernando.okara@gmail.com) (c) 2012 World Federation for Ultrasound in Medicine & Biology.

Comediarvm tomvs Ius-IVus.

Mode of access: Internet.

Heterogeneity of atherosclerotic plaque phenotypes and composition in four different arterial beds: an intravascular ultrasound virtual histology study

Purpose: The purpose of this study was to compare the plaque morphology between coronary and peripheral arteries using intravascular ultrasound (IVUS). Methods: IVUS was performed in 68 patients with coronary and 93 with peripheral artery lesions (29 carotid, 50 renal, and 14 iliac). Plaques were classified as fibroatheroma (VH-FA) (further subclassified as thin-capped [VH-TCFA] and thick-capped [VH-ThCFA]), fibrocalcific plaque (VH-FC) and pathological intimal thickening (VH-PIT). Results: Plaque rupture (13% of coronary, 7% of carotid, 6% of renal, and 7% of iliac arteries; P=NS) and VH-TCFA (37% of coronary, 24% of carotid, 16% of renal, and 7% of iliac arteries; P=0.02) was observed in all arteries. Compared to coronary arteries, VH-FA was less frequently observed in renal (P<0.001) and iliac arteries (P<0.006), while VH-PIT and VH-FC were prevalent in both of these peripheral arteries. Lesions with positive remodeling demonstrated more characteristics of VH-FA in coronary, carotid, and renal arteries compared to those with intermediate/negative remodeling (all P<0.01). There was positive relationship between RI and percent necrotic core area in all four arteries. Conclusions: Atherosclerotic plaque phenotypes were heterogeneous among four different arteries. In contrast, the associations of remodeling mode with plaque phenotype and composition were similar among the various arterial beds.

Segmentation d’images intravasculaires ultrasonores

L'imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technologie médicale par cathéter qui produit des images de coupe des vaisseaux sanguins. Elle permet de quantifier et d'étudier la morphologie de plaques d'athérosclérose en plus de visualiser la structure des vaisseaux sanguins (lumière, intima, plaque, média et adventice) en trois dimensions. Depuis quelques années, cette méthode d'imagerie est devenue un outil de choix en recherche aussi bien qu'en clinique pour l'étude de la maladie athérosclérotique. L'imagerie IVUS est par contre affectée par des artéfacts associés aux caractéristiques des capteurs ultrasonores, par la présence de cônes d'ombre causés par les calcifications ou des artères collatérales, par des plaques dont le rendu est hétérogène ou par le chatoiement ultrasonore (speckle) sanguin. L'analyse automatisée de séquences IVUS de grande taille représente donc un défi important. Une méthode de segmentation en trois dimensions (3D) basée sur l'algorithme du fast-marching à interfaces multiples est présentée. La segmentation utilise des attributs des régions et contours des images IVUS. En effet, une nouvelle fonction de vitesse de propagation des interfaces combinant les fonctions de densité de probabilité des tons de gris des composants de la paroi vasculaire et le gradient des intensités est proposée. La segmentation est grandement automatisée puisque la lumière du vaisseau est détectée de façon entièrement automatique. Dans une procédure d'initialisation originale, un minimum d'interactions est nécessaire lorsque les contours initiaux de la paroi externe du vaisseau calculés automatiquement sont proposés à l'utilisateur pour acceptation ou correction sur un nombre limité d'images de coupe longitudinale. La segmentation a été validée à l'aide de séquences IVUS in vivo provenant d'artères fémorales provenant de différents sous-groupes d'acquisitions, c'est-à-dire pré-angioplastie par ballon, post-intervention et à un examen de contrôle 1 an suivant l'intervention. Les résultats ont été comparés avec des contours étalons tracés manuellement par différents experts en analyse d'images IVUS. Les contours de la lumière et de la paroi externe du vaisseau détectés selon la méthode du fast-marching sont en accord avec les tracés manuels des experts puisque les mesures d'aire sont similaires et les différences point-à-point entre les contours sont faibles. De plus, la segmentation par fast-marching 3D s'est effectuée en un temps grandement réduit comparativement à l'analyse manuelle. Il s'agit de la première étude rapportée dans la littérature qui évalue la performance de la segmentation sur différents types d'acquisition IVUS. En conclusion, la segmentation par fast-marching combinant les informations des distributions de tons de gris et du gradient des intensités des images est précise et efficace pour l'analyse de séquences IVUS de grandes tailles. Un outil de segmentation robuste pourrait devenir largement répandu pour la tâche ardue et fastidieuse qu'est l'analyse de ce type d'images.

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.

Étude rétrospective évaluant le VEGF comme biomarqueur d’athérosclérose mesurée par coronarographie quantitative et ultrason intra-vasculaire

Introduction : Puisque le VEGF promeut l’inflammation et la néovascularisation des plaques athérosclérotiques, il pourrait contribuer à l’athérogénèse. Cependant, les données cliniques tentant de lier le VEGF à la maladie cardiaque athérosclérotique (MCAS) sont controversées. Nous avons investigué l’association entre les niveaux de VEGF et la sévérité de la MCAS. Méthode : Nous avons effectué une étude rétrospective transversale : 56 patients présentant une MCAS stable et 112 patients avec un syndrome coronarien aigue (SCA) ont été étudiés. Nous avons investigué la relation entre la charge athérosclérotique et les niveaux sériques de VEGF en utilisant la coronarographie par analyse quantitative (QCA) et avons évalué la morphologie des plaques athérosclérotiques en utilisant l’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS). Résultats : Les niveaux de VEGF étaient plus bas chez les patients avec SCA que chez ceux avec MCAS stable. On observe une corrélation positive entre les niveaux de VEGF et le fardeau de la MCAS stable mesurée par le QCA Cumulative Coronary Stenosis Score - CCSS (Pearson r= 0,423 et p = 0,001). En analyse multivariée, les niveaux sériques de VEGF demeuraient prédicteurs du CCSS (p=0,003) des patients avec une MCAS stable. Nous avons observé une corrélation positive entre les niveaux de VEGF et le volume de plaque (Spearman r = 0.381, p = 0.035) ainsi que le pourcentage de volume d’athérome (Spearman r = 0.466, p = 0.008) mesurés par IVUS. Conclusions : Notre étude suggère un usage potentiel des niveaux sérique de VEGF comme biomarqueur de MCAS.

Plaque characteristics of nonobstructive coronary lesions in diabetic patients: an intravascular ultrasound virtual histology analysis

Patients with diabetes mellitus are known to be at increased risk for acute cardiovascular events. We used intravascular ultrasound virtual histology (IVUS-VH) to examine whether nonobstructive coronary artery lesions of diabetic patients have distinct plaque composition and morphology compared with nondiabetic patients.

Temporal changes of coronary artery plaque located behind the struts of the everolimus eluting bioresorbable vascular scaffold

Implantation of a coronary stent results in a mechanical enlargement of the coronary lumen with stretching of the surrounding atherosclerotic plaque. Using intravascular ultrasound virtual-histology (IVUS-VH) we examined the temporal changes in composition of the plaque behind the struts (PBS) following the implantation of the everolimus eluting bioresorbable vascular scaffold (BVS). Using IVUS-VH and dedicated software, the composition of plaque was analyzed in all patients from the ABSORB B trial who were imaged with a commercially available IVUS-VH console (s5i system, Volcano Corporation, Rancho Cordova, CA, USA) post-treatment and at 6-month follow-up. This dedicated software enabled analysis of the PBS after subtraction of the VH signal generated by the struts. The presence of necrotic core (NC) in contact with the lumen was also evaluated at baseline and follow-up. IVUS-VH data, recorded with s5i system, were available at baseline and 6-month follow-up in 15 patients and demonstrated an increase in both the area of PBS (2.45 ± 1.93 mm(2) vs. 3.19 ± 2.48 mm(2), P = 0.005) and the external elastic membrane area (13.76 ± 4.07 mm(2) vs. 14.76 ± 4.56 mm(2), P = 0.006). Compared to baseline there was a significant progression in the NC (0.85 ± 0.70 mm(2) vs. 1.21 ± 0.92 mm(2), P = 0.010) and fibrous tissue area (0.88 ± 0.79 mm(2) vs. 1.15 ± 1.05 mm(2), P = 0.027) of the PBS. The NC in contact with the lumen in the treated segment did not increase with follow-up (7.33 vs. 6.36%, P = 0.2). Serial IVUS-VH analysis of BVS-treated lesions at 6-month demonstrated a progression in the NC and fibrous tissue content of PBS.

Analysis of coronary bifurcations by intravascular ultrasound and virtual histology

Background Regional differences in shear stress have been identified as reason for early plaque formation in vessel bifurcations. We aimed to investigate regional plaque morphology and composition using intravascular ultrasound (IVUS) and virtual histology (IVUS–VH) in coronary artery bifurcations. Methods We performed IVUS and IVUS–VH studies at coronary bifurcations to analyze segmental plaque burden and composition of different segments in relation to their orientation to the bifurcation. Results A total of 236 patients with a mean age of 59 ± 11 years (69% male) were analyzed. Plaque burden was higher at the contralateral vessel wall facing the bifurcation compared to the ipsilateral vessel wall and this difference was true for proximal and distal segments (proximal: 37 ± 12% and 45 ± 15% for segments at the ipsilateral and contralateral vessel wall, respectively, p < 0.001; distal: 37 ± 10% and 47 ± 15% for segments at the ipsilateral and contralateral vessel wall, respectively, p < 0.001). In addition, these segments exhibited a higher proportion of dense calcium and a lower proportion of fibrous tissue and fibro fatty tissue. Conclusions Segments on the contralateral wall of the bifurcation which have previously been identified as regions with low shear stress not only exhibited a higher plaque burden, but also a higher degree of calcification.

Analysis of 1 year virtual histology changes in coronary plaque located behind the struts of the everolimus eluting bioresorbable vascular scaffold

Serial intravascular ultrasound virtual histology (IVUS-VH) after implantation of metallic stents has been unable to show any changes in the composition of the scaffolded plaque overtime. The everolimus-eluting ABSORB scaffold potentially allows for the formation of new fibrotic tissue on the scaffolded coronary plaque during bioresorption. We examined the 12 month IVUS-VH changes in composition of the plaque behind the struts (PBS) following the implantation of the ABSORB scaffold. Using IVUS-VH and dedicated software, the composition of the PBS was analyzed in all patients from the ABSORB Cohort B2 trial, who were imaged with a commercially available IVUS-VH console (s5i system, Volcano Corporation, Rancho Cordova, CA, USA), immediately post-ABSORB implantation and at 12 month follow-up. Paired IVUS-VH data, recorded with s5i system, were available in 17 patients (18 lesions). The analysis demonstrated an increase in mean PBS area (2.39 ± 1.85 mm(2) vs. 2.76 ± 1.79 mm(2), P = 0.078) and a reduction in the mean lumen area (6.37 ± 0.90 mm(2) vs. 5.98 ± 0.97 mm(2), P = 0.006). Conversely, a significant decrease of 16 and 30% in necrotic core (NC) and dense calcium (DC) content, respectively, were evident (median % NC from 43.24 to 36.06%, P = 0.016; median % DC from 20.28 to 11.36%, P = 0.002). Serial IVUS-VH analyses of plaque located behind the ABSORB struts at 12-month demonstrated an increase in plaque area with a decrease in its NC and DC content. Larger studies are required to investigate the clinical impact of these findings.

Comparison between the first and second generation bioresorbable vascular scaffolds: a six month virtual histology study

To compare the intravascular ultrasound virtual histology (IVUS-VH) appearance of the polymeric struts of the first (Revision 1.0) and the second (Revision 1.1) generation bioresorbable vascular scaffold (BVS).

Associations of Reactive Hyperemia Index and Intravascular Ultrasound-Assessed Coronary Plaque Morphology in Patients With Coronary Artery Disease

Although reactive hyperemia index (RHI) predicts future coronary events, associations with intravascular ultrasound (IVUS)-assessed coronary plaque structure have not been reported. This study therefore investigated associations between RHI and IVUS-assessed coronary plaques. In 362 patients RHI was measured by noninvasive peripheral arterial tonometry and coronary plaque components (fibrous, fibrofatty, necrotic core, and dense calcium) were identified by IVUS in 594 vessel segments of the left anterior descending, circumflex, and/or right coronary arteries. RHI values <1.67 were considered abnormal. Analysis of variance was used to detect independent associations between RHI and plaque composition. Patients with an abnormal RHI had greater plaque burden (41% vs 39% in patients with normal RHI, p = 0.047). Compared to patients with normal RHI, plaque of patients with abnormal RHI had more necrotic core (21% vs 17%, p <0.001) and dense calcium (19% vs 15%, p <0.001) and less fibrous (49% vs 54%, p <0.001) and fibrofatty (11% vs 14%, p = 0.002) tissue. After adjustment for age, gender, cardiovascular risk factors, and drug therapy, abnormal RHI remained significantly associated with fibrous (F ratio 14.79, p <0.001), fibrofatty (F ratio 5.66, p = 0.018), necrotic core (F ratio 14.47, p <0.001), and dense calcium (F ratio 10.80, p = 0.001) volumes. In conclusion, coronary artery plaques of patients with abnormal RHI had a larger proportion of necrotic core and dense calcium. The association of an abnormal RHI with a plaque structure that is more prone to rupture may explain why these patients exhibit a greater risk of coronary events.