Sensing ultrasound localization microscopy for ultrastructural and functional imaging of neonatal kidneys

Abstract

Purpose

Sensing ultrasound localization microscopy (sULM) enables radiation-free imaging of microvascular architecture and blood flow dynamics by tracking intravasal microbubble contrast agents. This technical development aims to enable the visualization of glomeruli in the renal cortex of neonates serving as a potential imaging biopsy.

Materials and Methods

This technical report describes the first use of sULM in the human neonatal kidney. Neonatal subjects were examined by transabdominal contrast-enhanced ultrasound using a standard clinical ultrasound device. An image-based motion correction algorithm was implemented and the filtering, localization, and tracking of microbubbles during sULM analysis were refined. sULM algorithms were applied next to depict fast- and slow-moving microbubbles separately and to identify glomeruli by distance metric calculations.

Results

Five neonates were investigated. Slow-moving microbubbles were detected mainly in the cortical region, travelling a typical route through a glomerulus. By calculating the cumulative movement of every microbubble, the number of glomeruli could be counted over the entire organ.

Conclusion

We report an effective sULM workflow within the human neonate and the first microvascular sULM maps of neonatal renal vascularity up to the scale of a single glomerulus. The assessment of glomeruli as smallest functional units over the whole kidney has high potential to serve as a non-invasive imaging biomarker in future studies.

Zusammenfassung

Ziel

Die sensorische Ultraschall-Lokalisations-Mikroskopie (sULM: Sensing ultrasound localization microscopy) ermöglicht die strahlungsfreie Darstellung der mikrovaskulären Architektur und Perfusion durch ein Tracking intravasaler Kontrastmittel-Bläschen. Wir zeigen, dass dies die Visualisierung von Glomeruli in der Nierenrinde von Neugeborenen ermöglicht und somit als bildgebende Biopsie dienen könnte.

Material und Methode

Diese technische Beschreibung zeigt die erstmalige Anwendung der sULM an der Niere von Neugeborenen. Die Neonaten wurden mit konventionellem transabdominalem kontrastmittelverstärktem Ultraschall untersucht. Ein bildbasierter Bewegungskorrektur-Algorithmus wurde implementiert um die sULM-Analyse aus Filterung, Lokalisierung und Tracking der Mikrobläschen bestmöglich zu gewährleisten. Durch weitere sULM-Algorithmen konnten dann schnelle und langsame Kontrastmittel-Bewegungen voneinander getrennt und Glomeruli durch metrische Abstandsberechnungen identifiziert werden.

Ergebnisse

Es wurden 5 Neugeborene untersucht. Es konnten schnelle von sich langsam bewegenden Mikrobläschen differenziert werden. Letztere waren vor allem in der Nierenrindenregion lokalisiert und legten eine typische Schleifenbewegung durch den Glomerulus zurück. Durch Berechnung der kumulativen Distanz eines jeden Kontrastmittel-Bläschens konnte die Anzahl der Glomeruli über das gesamte Organ ermittelt werden.

Schlussfolgerungen

Wir beschreiben eine erste sULM-Analysemöglichkeit für Nieren bei Neugeborenen und zeigen erste mikrovaskuläre Aufnahmen bis hin zu einzelnen Glomeruli. Die Darstellung der Glomeruli – als kleinste funktionelle Einheiten der Niere über das gesamte Organ – hat ein hohes Potenzial, als nicht-invasiver bildgebender Biomarker in zukünftigen Studien zu dienen.

Keywords

ultrasound localization microscopy - contrast-enhanced ultrasound - neonatology - kidney - glomerulus

Publikationsverlauf

Eingereicht: 12. März 2025

Angenommen nach Revision: 11. September 2025

Artikel online veröffentlicht:
23. Oktober 2025

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