Non-invasive imaging for improved cardiovascular diagnostics : Shear wave elastography, relative pressure estimation, and tomographic reconstruction

• Throughout the last century, medical imaging has come to revolutionise the way we diagnose disease, and is today an indispensable part of virtually any clinical practice. In cardiovascular care imaging is extensively utilised, and the development of novel techniques promises refined diagnostic abilities: ultrasound elastography allows for constitutive tissue assessment, 4D flow magnetic resonance imaging (MRI) enables full-field flow mapping, and micro-Computed Tomography (CT) permits high-resolution imaging at pre-clinical level. However, following the complex nature of cardiovascular disease, refined methods are still very much needed to accurately utilise these techniques and to effectively isolate disease developments.The aim of this thesis has been to develop such methods for refined cardiovascular image diagnostics. In total eight studies conducted over three separate focus areas have been included: four on vascular shear wave elastography (SWE), three on non-invasive cardiovascular relative pressure estimations, and one on tomographic reconstruction for pre-clinical imaging.In Study I-IV, the accuracy and feasibility of vascular SWE was evaluated, with particular focus on refined carotid plaque characterisation. With confined arterial or plaque tissue restricting acoustic wave propagation, analysis of group and phase velocity was performed with SWE output validated against reference mechanical testing and imaging. The results indicate that geometrical confinement has a significant impact on SWE accuracy, however that a combined group and phase velocity approach can be utilised to identify vulnerable carotid plaque lesions in-vivo.In Study V-VII, a non-invasive method for the interrogation of relative pressure from imaged cardiovascular flow was developed. Using the concept of virtual work-energy, the method was applied to accurately assess relative pressures throughout complex, turbulence-inducing, branching vasculatures. The method was also applied on a dilated cardiomyopathy cohort, indicating arterial hemodynamic changes in cardiac disease.Lastly, in Study VIII a method for multigrid image reconstruction of tomographic data was developed, utilising domain splitting and operator masking to accurately reconstruct high-resolution regions-of-interests at a fraction of the computational cost of conventional full-resolution methods.Together, the eight studies have incorporated a range of different imaging modalities, developed methods for both constitutive and hemodynamic cardiovascular assessment, and utilised refined pre-clinical imaging, all with the same purpose: to refine current state cardiovascular imaging and to improve our ability to non-invasively assess cardiovascular disease. With promising results reached, the studies lay the foundation for continued clinical investigations, advancing the presented methods and maturing their usage for an improved future cardiovascular care.

• Medicinsk avbildning utgör idag en central del av modern klinisk diagnostik, och bildgivande diagnostikverktyg har kommit att i grunden förändra sättet på vilket dagligt kliniskt arbete utförs. Medicinsk bildteknik används också i stor utsträckning inom hjärt-kärldiagnostik, och i takt med att nya tekniker utvecklas kan förfinad information inhämtas: ultraljudsbaserad elastografi möjliggör avbildning av vävnaders mekaniska egenskaper, fyrdimensionella blodflödesmönster kan kartläggas genom 4D flödes-magnetresonanstomografi (MRI), och mikro-Datortomografi (mikro-CT) möjliggör preklinisk avbildning i mikrometerupplösning. För att kunna dra nytta av dessa teknikers potential i ett kliniskt sammanhang behövs dock förfinade och validerade analysverktyg, särskilt med tanke på hjärt-kärlsjukdomars komplexa och multifaktoriella natur.Syftet med följande avhandling har varit att utveckla sådana metoder för förbättrad hjärt-kärlavbildning. Avhandlingen innehåller totalt åtta delarbeten fördelat över tre fokusområden: fyra inom vaskulär skjuvvågselastografi (SWE), tre inom icke-invasiv tryckfallsmätning, och en inom pre-klinisk tomografisk bildrekonstruktion.I studie I-IV utvärderades vaskulär SWE, med särskilt fokus på teknikens potential för förfinad karaktärisering av karotisplack. I alla studier undersöktes SWE grupp- och fashastighet, med estimerade hastigheter och styvheter validerade mot mekanisk referensmätning eller kompletterande avbildning. Resultaten visar hur spatialt avgränsade kärl eller plack har en tydlig inverkan på SWE:s noggrannhet, men indikerar även hur rupturbenägna plack kan identifieras genom en kombination av grupp- och fashastighetsanalys.I studie V-VII utvecklades en ny metod för icke-invasiv tryckfallsmätning baserad uteslutande på uppmätt 4D-flödesdata. Genom en komplett flödesmekanisk beskrivning i kombination med ett virtuellt flödesfält kan exakta och robusta tryckfallsmätningar genomföras genom komplexa, turbulensinducerande, och kliniskt relevant kardiovaskulära strukturer. Metoden användes också för att analysera en klinisk kohort med dilaterad kardiomyopati, där tydliga förändringar i arteriellt blodtrycksbeteende detekterades.I studie VIII utvecklades en metod för multidimensionell bildrekonstruktion av tomografisk mikro-CT-data. Genom domän- och operatorseparering visar resultaten hur högupplöst rekonstruktion av en subdomän kan uppnås till en bråkdel av den totala tids- eller minnesåtgången som annars fordras för en fullupplöst bildrekonstruktion.Tillsammans har de åtta delstudierna använt ett antal olika avbildningsmodaliteter, applicerat både vävnadsbaserat och hemodynamisk utvärdering av hjärt-kärlsystemet, och slutligen inkluderat preklinisk avbildning, allt för att uppnå samma mål: att förbättra klinisk hjärt-kärlavbildning och ge en fördjupad förståelse av olika hjärt-kärlsjukdomars kliniska manifestation genom icke-invasiv avbildning. Avhandlingen utgör också grunden för fortsatta vetenskapliga studier, där de utvärderade metoderna kan komma att förfinas ytterligare som del av en mer omfattande klinisk implementering.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Medicinteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Medical Engineering (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Medicinteknik -- Medicinsk bildbehandling (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Medical Engineering -- Medical Image Processing (hsv//eng)

Nyckelord

Medical imaging

Cardiovascular disease

Atherosclerosis

Hemodynamics

Ultrasound

Shear Wave Elastography (SWE)

Magnetic Resonance Imaging (MRI)

4D flow MRI

Relative Pressure

Virtual Work-Energy

micro-Computed Tomography (micro-CT)

Tomographic reconstruction

Pre-clinical imaging

Medicinsk avbildning

Hjärt-kärlsjukdomar

Ateroskleros

Hemodynamik

Ultraljud

Skjuvvågselastografi (SWE)

Magnetresonanstomografi (MRI)

4D flödes-MRI

Tryckfall

Virtuellt flöde

mikro-Datortomografi (mikro-CT)

Tomografisk rekonstruktion

Preklinisk avbildning

Medicinsk teknologi

Medical Technology

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)