Abstract Ultrasound localization microscopy is a super-resolution imaging technique that exploits the unique characteristics of contrast microbubbles to side-step the fundamental trade-off between imaging resolution and penetration depth. However, the conventional reconstruction technique is confined to low microbubble concentrations to avoid localization and tracking errors. Several research groups have introduced sparsity- and deep learning-based approaches to overcome this constraint to extract useful vascular structural information from overlapping microbubble signals, but these solutions have not been demonstrated to produce blood flow velocity maps of the microcirculation. Here, we introduce Deep-SMV, a localization free super-resolution microbubble velocimetry technique, based on a long short-term memory neural network, that provides high imaging speed and robustness to high microbubble concentrations, and directly outputs blood velocity measurements at a super-resolution. Deep-SMV is trained efficiently using microbubble flow simulation on real in vivo vascular data and demonstrates real-time velocity map reconstruction suitable for functional vascular imaging and pulsatility mapping at super-resolution. The technique is successfully applied to a wide variety of imaging scenarios, include flow channel phantoms, chicken embryo chorioallantoic membranes, and mouse kidney, tumor, and brain imaging.

Abstract Background Placement of the clinical vagus nerve stimulating cuff is a standard surgical procedure based on anatomical landmarks, with limited patient specificity in terms of fascicular organization or vagal anatomy. As such, the therapeutic effects are generally limited by unwanted side effects of neck muscle contractions, demonstrated by previous studies to result from stimulation of 1) motor fibers near the cuff in the superior laryngeal and 2) motor fibers within the cuff projecting to the recurrent laryngeal. Objective The use of patient-specific visualization of vagus nerve fascicular organization could better inform clinical cuff placement and improve clinical outcomes. Methods The viability of ultrasound, with the transducer in the surgical pocket, to visualize vagus nerve fascicular organization (i.e. vagotopy) was characterized in a pig model. Ultrasound images were matched to post-mortem histology to confirm the utility of ultrasound in identifying fascicular organization. Results High-resolution ultrasound accurately depicted the vagotopy of the pig vagus nerve intra-operatively, as confirmed via histology. The stereotypical pseudo-unipolar cell body aggregation at the nodose ganglion was identifiable, and these sensory afferent fascicular bundles were traced down the length of the vagus nerve. Additionally, the superior and recurrent laryngeal nerves were identified via ultrasound. Conclusions Intraoperative visualization of vagotopy and surrounding nerves using ultrasound is a novel approach to optimize stimulating cuff placement, avoid unwanted activation of motor nerve fibers implicated in off-target effects, and seed patient-specific models of vagal fiber activation to improve patient outcomes.

3-D ultrasound imaging has many advantages over 2-D imaging such as more comprehensive tissue evaluation and less operator dependence. Although many 3-D ultrasound imaging techniques have been developed in the last several decades, a low-cost and accessible solution with high imaging volume rate and imaging quality remains elusive. Recently we proposed a new, high volume rate 3-D ultrasound imaging technique: Fast Acoustic Steering via Tilting Electromechanical Reflectors (FASTER), which uses a water-immersible and fast-tilting acoustic reflector to steer ultrafast plane waves in the elevational direction to achieve high volume rate 3-D ultrasound imaging with conventional 1-D array transducers. However, the initial implementation of FASTER imaging only involves a single fast-tilting acoustic reflector, which is inconvenient to use because the probe cannot be held in the regular upright position. Also, conventional FASTER imaging can only be performed inside a water tank because of the necessity of using water for acoustic conduction. To address these limitations of conventional FASTER, here we developed a novel ultrasound probe clip-on device that encloses a fast-tilting reflector, a redirecting reflector, and an acoustic wave conduction medium. The new FASTER 3-D imaging device can be easily attached to or removed from clinical ultrasound transducers, allowing rapid transformation from 2-D to 3-D ultrasound imaging. In vitro B-mode imaging studies demonstrated that the proposed method provided comparable imaging quality (e.g., spatial resolution and contrast-to-noise ratio) to conventional, mechanical-translation-based 3-D imaging while providing a much faster 3-D volume rate (e.g., 300 Hz vs âˆ¼10 Hz). In addition to B-mode imaging, we also demonstrated 3-D power Doppler imaging and 3-D super-resolution ultrasound localization microscopy with the newly developed FASTER device. An in vivo imaging study showed that the FASTER device could clearly visualize the 3-D anatomy of the basilic vein of a healthy volunteer, and customized beamforming was implemented to accommodate the speed of sound difference between the acoustic medium and the imaging object (e.g., soft tissue). These results suggest that the newly developed redirecting reflector and the clip-on device could overcome key hurdles for future clinical translation of the FASTER 3-D imaging technology.

Abstract Objective To develop a 3D shear wave elastography (SWE) technique using a 2D row column addressing (RCA) array, with either external vibration or acoustic radiation force (ARF) as the shear wave source. Impact Statement The proposed method paves the way for clinical translation of 3D-SWE based on the 2D RCA, providing a low-cost and high volume-rate solution that is compatible with existing clinical systems. Introduction SWE is an established ultrasound imaging modality that provides a direct and quantitative assessment of tissue stiffness, which is significant for a wide range of clinical applications including cancer and liver fibrosis. SWE requires high frame-rate imaging for robust shear wave tracking. Due to the technical challenges associated with high volume-rate imaging in 3D, current SWE techniques are typically confined to 2D. Advancing SWE from 2D to 3D is significant because of the heterogeneous nature of tissue, which demands 3D imaging for accurate and comprehensive evaluation. Methods A 3D SWE method using a 2D RCA array was developed with a volume-rate up to 2000 Hz. The performance of the proposed method was systematically evaluated on tissue-mimicking elasticity phantoms. Results 3D shear wave motion induced by either external vibration or ARF was successfully detected with the proposed method. Robust 3D shear wave speed maps were reconstructed for both homogeneous and heterogeneous phantoms with inclusions. Conclusion The high volume-rate 3D imaging provided by the 2D RCA array provides a robust and practical solution for 3D SWE with a clear pathway for future clinical translation.

We study radiative transfer in participating binary stochastic mixtures in two dimensions (2D) by developing an accurate and efficient simulation tool. For two different sets of physical parameters, 2D benchmark results are presented, and it is found that the influence of the stochastic mixture on radiative transfer is clearly parameter-dependent. Our results confirm that previous multidimensional results obtained in different studies are basically consistent, which is interpreted in terms of the relationship between the photon mean free path lp and the system size L. Nonlinear effects, including those due to scattering and radiation–material coupling, are also discussed. To further understand the particle size effect, we employ a dimensionless parameter lp/L, from which a critical particle size can be derived. On the basis of further 2D simulations, we find that an inhomogeneous mix is obtained for lp/L > 0.1. Furthermore, 2D material temperature distributions reveal that self-shielding and particle–particle shielding of radiation occur, and are enhanced when lp/L is increased. Our work is expected to provide benchmark results to verify proposed homogenized models and/or other codes for stochastic radiative transfer in realistic physical scenarios.

In this study functional ultrasound (fUS) imaging has been implemented to explore the local hemodynamic response induced by electrical epidural stimulation and to study real-time in vivo functional changes of the spinal cord, taking advantage of the superior spatiotemporal resolution provided by fUS. By quantifying the hemodynamic and electromyographic response features, we tested the hypothesis that the transient hemodynamic response of the spinal cord to electrical epidural stimulation could reflect modulation of the spinal circuitry and accordingly respond to the changes in parameters of electrical stimulation. The results of this study for the first time demonstrate that the hemodynamic response to electrical stimulation could reflect functional organization of the spinal cord. Response in the dorsal areas to epidural stimulation was significantly higher and faster compared to the response in ventral spinal cord. Positive relation between the hemodynamic and the EMG responses was observed at the lower frequencies of epidural stimulation (20 and 40 Hz), which according to our previous findings can facilitate spinal circuitry after spinal cord injury, compared to higher frequencies (200 and 500 Hz). These findings suggest that different mechanisms could be involved in spinal cord hemodynamic changes during different parameters of electrical stimulation and for the first time provide the evidence that functional organization of the spinal cord circuitry could be related to specific organization of spinal cord vasculature and hemodynamic.

Abstract Acoustic radiation force (ARF)-based shear wave elastography (SWE) is a clinically available ultrasound imaging mode that noninvasively and quantitatively measures tissue stiffness. Current implementations of ARF-SWE are largely limited to 2-D imaging, which does not provide robust estimation of heterogeneous tissue mechanical properties. Existing 3-D ARF-SWE solutions that are clinically available are based on wobbler probes, which cannot provide true 3-D shear wave motion detection. Although 3-D ARF-SWE based on 2-D matrix arrays have been previously demonstrated, they do not provide a practical solution because of the need for a high channel-count ultrasound system (e.g., 1024-channel) to provide adequate volume rates and the delicate circuitries (e.g., multiplexers) that are vulnerable to the long-duration “push” pulses. To address these issues, here we propose a new 3-D ARF-SWE method based on the 2-D row-column addressing (RCA) array which has a much lower element count (e.g., 256), provides an ultrafast imaging volume rate (e.g., 2000 Hz), and can withstand the push pulses. In this study, we combined the comb-push shear elastography (CUSE) technique with 2-D RCA for enhanced SWE imaging field-of-view. In vitro phantom studies demonstrated that the proposed method had robust 3-D SWE performance in both homogenous and inclusion phantoms. An in vivo study on a breast cancer patient showed that the proposed method could reconstruct 3-D elasticity maps of the breast lesion, which was validated using a commercial ultrasound scanner. These results demonstrate strong potential for the proposed method to provide a viable and practical solution for clinical 3-D ARF-SWE.