Ультразвуковая доплеровская система для исследования кровотока

MouseDoppler - устройство для проведения импульсной допплеровской спектрографии кровотока в режиме реального времени, разработанное специально для оценки функции сердечнососудистой системы у мышей и крыс. Это комплексный программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий сбор и анализ данных. Система идеально подходит для исследований у мышей, благодаря высокой частоте обновления и отличному временному разрешению. Это особенно важно из-за высоких показателей ЧСС, скорости кровотока и быстрого ускорения кровотока до достижения пика систолической скорости у мелких грызунов.

Устройство обрабатывает импульсные допплеровские сигналы с помощью алгоритма быстрых преобразований Фурье. Результаты вычислений отображаются в режиме реального времени как ультразвуковая допплеровская спектрограмма (градации серого). Программное обеспечение, включенное в комплект поставки, позволяет пользователю записывать и проводить анализ спектрограмм для подготовки отчётов и публикаций.

MouseDoppler также с успехом применяется для исследований у летучих мышей, голых землекопов (Heterocephalus glaber) и других мелких животных.

 

Аналитическое программное обеспечение системы MouseDoppler

Программное обеспечение, предназначенное для анализа допплеровских спектрограмм, позволяет быстро проводить подробное изучение получаемых данных и создавать отчёт об исследовании, что увеличивает производительность системы. С помощью устройства MouseDoppler возможна оценка широкого спектра объёмных и временных параметров функции сердечнососудистой системы. Полный список возможных измерений указан ниже.

 

Параметры, определяемые системой MouseDoppler

Системные параметры:
• Частота сердечных сокращений;
• Интервал R-R;
• Скорость пульсовой волны (PWV-СПВ).


Периферические показатели:
• Пиковая скорость кровотока;
• Средняя скорость кровотока;
• Минимальная скорость кровотока;
• Пульсаторный индекс (индекс Гослина; PI);
• Индекс сосудистого сопротивления (индекс Пурсело).


Диастолические индексы:
• Пиковая скорость раннего диастолического наполнения левого желудочка;
• Ударная скорость раннего диастолического наполнения левого желудочка;
• Длительность раннего диастолического наполнения левого желудочка;
• Время ускорения раннего диастолического наполнения левого желудочка;
• Время замедления раннего диастолического наполнения левого желудочка;
• Пиковая скорость раннего диастолического наполнения левого желудочка к ½ длительности раннего диастолического наполнения левого желудочка;
• Линейное время замедления раннего наполнения левого желудочка;
• Линейная скорость замедления раннего наполнения левого желудочка;
• Пиковая скорость позднего наполнения левого желудочка (при сокращении предсердий);
• Ударное расстояние позднего диастолического наполнения левого желудочка (среднее расстояние, пройденное красными кровяными клетками во время систолы);
• Длительность позднего наполнения левого желудочка (при сокращении предсердий);
• Отношение пиковой скорости раннего диастолического наполнения к пиковой скорости позднего наполнения;
• Время изоволюметрического сокращение мышцы желудочка;
• Время изоволюметрического расслабления мышцы желудочка.


Систолические индексы:
• Пиковая систолическая скорость;
• Средняя систолическая скорость;
• Пиковое время систолического ускорения;
• Среднее время систолического ускорения;
• Длительность периода предизгнания;
• Длительность периода изгнания;
• Время увеличения систолического кровотока;
• Stroke distance – среднее расстояние, пройденное красными кровяными клетками во время систолы.

 

Базовая версия системы MouseDoppler™ и план протокола исследования

Оборудование, необходимое для определения данных о скорости кровотока допплеровским методом у мышей и крыс, изображено в начале документа.

Испытуемое животное подвергается общей анестезии изофлураном, средствами для инъекционного наркоза или другим методом, в зависимости от требуемого типа исследования. Мышь находится в положении на спине. Все четыре конечности животного крепятся к поверхностным электродам системы MouseMonitor S. Это устройство обеспечивает получение, обработку и фильтрацию ЭКГ сигналов. График ЭКГ после фильтрации поступает в систему обработки и анализа данных.

Сигналы, несущие информацию о скорости кровотока, могут регистрироваться в бассейне аорты или на уровне отверстия митрального клапана. Для этого наконечник датчика импульсного допплера располагают сразу ниже грудины. Для исследования у крыс обычно используют 10 Мгц датчик, в то время как у мышей используется датчик на 20 Мгц. Для оценки скорости кровотока по периферическим артериям у мышей используется 20 Мгц датчик на проводнике. Для генерирования импульсного допплеровского сигнала все трансдьюсеры установки для импульсной допплеровской спектрографии подключаются к подходящим 10 или 20 Мгц модулям многоканального основного блока системы MouseDoppler. Другие совместимые системы, способные генерировать демодулированные аудиосигналы (однофазные и со сдвигом по фазе на 90 градусов), также могут подключаться к системе обработки данных.

Модули системы MouseDoppler™

Технология 20 МГц импульсной допплерографии изначально разрабатывалась для определения скорости коронарного кровотока у людей с помощью миниатюрного трансдьюсера, установленного на конце коронарного катетера Sones. Позднее исследования обнаружили, что метод идеально подходит для проведения других малоинвазивных процедур, требующих оценки кровотока в мелких сосудах.

Например, технология применялась при проведении следующих исследований:

Определение параметров кровотока в мелких сосудах в острых или хронических экспериментах у животных с помощью жестких эпоксидных или гибких силиконовых датчиков в виде манжеты;

Чрескожное определение параметров кровотока в мелких подкожных сосудах;

Внутриоперационное определение параметров кровотока по сосудистому трансплантату или сосудистому анастомозу у людей с помощью ручных миниатюрных датчиков и датчиков в виде манжеты;

Определение параметров сердечной гемодинамики и периферического кровотока у мышей с помощью фокусированных ручных датчиков.

 

При изучении ишемии миокарда у собак было обнаружено, что желательно проводить одновременное измерение длины сегмента миокарда (с помощью измерения времени прохождения ультразвука) и параметров коронарного кровотока (с помощью импульсной допплерографии). Для этого необходима синхронизация ультразвуковых сигналов от двух устройства. С этой целью была разработана система оценки кровотока/размера. Устройство является отдельным модулем, позволяющим работать с двумя ультразвуковыми устройствами (оценка времени прохождения и импульсный допплер) на частотах 5, 10 или 20 МГц, с частотой повторения импульсов от 1 до 125 КГц.

 

Основные блоки системы MouseDoppler

 

Четырёхканальный ультразвуковой блок

Основной многоканальный блок оценки кровотока/размера поддерживает любые модули, перечисленные на этой странице. Система имеет встроенный динамик для прослушивания выбранного допплеровского канала и может подключаться к высокочастотному осциллоскопу для мониторинга ультразвуковых сигналов от модулей измерения длины сегмента миокарда или допплеровского смещения. Выходы записывающего устройства на каждом канале имеют диапазон +/- 10 вольт и поддерживают подключение ленточного самописца, устройства для записи на магнитную ленту, компьютерного аналогово-цифрового интерфейса, устройства для наблюдения за физиологическими параметрами. С небольшими ограничениями возможно одновременная работа со всеми четырьмя каналами без интерференции.

 

Модуль импульсного допплера (10 или 20 МГц)

Данный модуль подходит для определения большинства параметров кровотока в мелких (20 МГц) и крупных (10 МГц) сосудах при проведении острых или хронических экспериментов у животных. Выход направленный, растущий или снижающийся кровоток отображается как положительная величина. Данные, поступающие на выход: средняя скорость кровотока, фазовая скорость с выбираемой величиной демпфирования. Вольтаж сигнала пропорционален диапазону времени задержки распространения сигнала на логический элемент. Допплеровские сдвиги до 31.25 КГц могут измеряться посредством стандартной частоты повторения импульсов (PRF-62.5 КГц). Данные параметры соответствуют максимальной скорости кровотока 166 сантиметров в секунду, измеряемой с помощью 20 МГц датчика, или 330 см/сек, при использовании 20 МГц датчика с углом излучения 45 градусов. Данные модули также совместимы с датчиками на проводниках, предназначенных для оценки кровотока неинвазивным путём у мышей и других животных.

 

Модуль высокоскоростного импульсного допплера (10 или 20 МГц)

Конструкция данного модуля позволяет преодолеть ограничения стандартного модуля, связанные с высокой скоростью кровотока. Он способен записывать допплеровские сдвиги на частоте до 62.5 КГц (300 см/сек при 20 МГц или 600 см/сек при 10 МГц), со стандартной частотой повторения импульсов (PRF-62.5 КГц). Из-за данных особенностей его использование связанно с большими сложностями (больше критических настроек) чем при использовании стандартного модуля. Наиболее часто применяется при изучении кровотока по печёночным, почечным и мезентериальным артериям.

 

Модуль усиления сигнала от датчиков давления (двойной)

Этот не ультразвуковой модуль содержит два стандартных мостовых усилителя, используемых с датчиками давления (производства Gould Statham, Konigsberg, или Millar). Каждый усилитель имеет независимый вход, регулировку баланса и усиления, переключатель выходного сигнала (фазовый, нулевой, средний). Нижний усилитель имеет дополнительный усреднённый выход, на который не влияет положение переключателя выходного сигнала.

 

Дифференциальный модуль давления

Данный модуль содержит один усилитель сигнала от датчиков давления (не отличающийся от описанного выше) и производный усилитель/калибратор для измерения скорости изменения давления в ЛЖ во время изоволюмического сокращения (dP/dt). Имеется несколько выходов для показаний фазового, среднего давления и dP/dt. Встроенный генератор треугольных волн используется для калибровки выхода dP/dt (в миллиметрах ртутного столба).

Датчики высокочастотной импульсной допплеровской системы MouseDoppler

Все трансдюсеры, описанные ниже, поддерживают стерилизацию газообразными стерилизующими агентами для длительной имплантации или использования во время хирургического вмешательства, проводимого в асептических условиях. В основном для заказа доступны датчики на проводниках. Другие типы датчиков доступны для предзаказа.

 

Трансдюсеры системы MouseDoppler для неинвазивных исследований

Датчики на проводниках (10 или 20 МГц)

Для некоторых исследований необходимы жёсткие, смонтированные на конце проводника, датчики. Также технология позволяет установить кристалл УЗ трансдьюсера на конце катетера или иглы. Наименьший доступный размер датчиков такого типа – 16G или 1.2 мм (20 МГц кристалл с выемкой диаметром 1 мм), наибольший - 6,35 мм, на медной трубке (10 МГц кристалл с выемкой диаметром 5 мм). Также компания производит датчики с линзами, устанавливаемыми на рабочую сторону кристалла для фокусировки ультразвукового луча. Трансдьюсеры с фокусировкой используются для измерения скорости кровотока в сердце и периферических сосудах у мышей неинвазивным методом.

 

Трансдьюсеры системы MouseDoppler для инвазивных исследований

Датчики для определения параметров кровотока в виде манжеты из силикона (10 или 20 МГц)

При исследовании кровотока в мелких сосудах (от 0.5 до 2.0 мм), а также в ситуациях, когда требуется более гибкий датчик, применяются трансдьюсеры из гибкого силикона. Силиконовые датчики имеют собственный шовный материал, позволяющий полностью обернуть устройство вокруг кровеносного сосуда и зафиксировать его на месте с помощью узлов.

Датчики для определения параметров кровотока в виде закруглённого пластыря  (10 или 20 МГц)

Для исследования кровотока в больших сосудах или при отсутствии необходимости в датчиках в виде манжеты используются трансдьюсеры, кристалл которых установлен на небольшой кусок ткани/силикона закруглённой формы, что позволяет подшить устройство к стенке сосуда. Данный тип датчиков часто используется для имплантации на аорте или легочной артерии. Закруглённая часть может иметь различный диаметр, что необходимо учитывать при планировании эксперимента. Считается, что размер датчика должен быть слегка больше, чем необходимо. При имплантации свободную часть трансдьюсера можно подрезать, чтобы улучшить контакт с сосудом.