שחזור תלת-מישורי סינכרוני משולב עם מיפוי דופלר צבע ללוקליזציה מדויקת ומהירה של נגעי בלוטת התריס

Summary

כאן אנו מציגים טכניקת אולטרסאונד 5D המשלבת שחזור תלת ממדי רב מישורי ואיחוי דופלר צבע, המאפשר הדמיה סינכרונית של מידע מבני ותפקודי של בלוטת התריס. על ידי מזעור שטחים מתים, שיטה זו מאפשרת לוקליזציה מהירה ומדויקת של נגעים כדי לשפר את דיוק האבחון, במיוחד לטובת מטפלים מתחילים.

Abstract

מאמר זה מציע טכניקה חדשנית לבדיקת בלוטת התריס המבוססת על שחזור סינכרוני חמישה ממדי (5D) של נתוני אולטרסאונד. הרצפים הטמפורליים הגולמיים משוחזרים לנתונים נפחיים תלת-ממדיים המשקפים מבנה אנטומי. הדמיה תלת-מישורית משלושה מישורים אורתוגונליים מתממשת כדי לספק בדיקה שיטתית של הבלוטה כולה. הדמיית דופלר צבע משולבת בכל פרוסה תלת-מישורית כדי למפות שינויים בכלי הדם. היתוך רב-מודאלי זה מאפשר תצוגה סינכרונית של מידע מבני, פונקציונלי וזרימת דם במרחב ה-5D המשוחזר. בהשוואה לסריקה קונבנציונלית, טכניקה זו מציעה את היתרונות של אבחון לא מקוון גמיש, תלות מופחתת בסריקה, פרשנות אינטואיטיבית משופרת והערכה מקיפה מרובת היבטים. על ידי מזעור טעויות פיקוח, זה יכול לשפר את דיוק האבחון, במיוחד עבור מתרגלים מתחילים. שיטת האיחוי ה5D המוצעת מאפשרת לוקליזציה מהירה ומדויקת של נגעים לגילוי מוקדם. עבודה עתידית תחקור שילוב עם סמנים ביוכימיים כדי לשפר עוד יותר את דיוק האבחון. לטכניקה ערך קליני רב לקידום בדיקת בלוטת התריס.

Introduction

השימוטו של בלוטת התריס (HT), ההפרעה האוטואימונית השכיחה ביותר של בלוטת התריס (AITD), היא הגורם המוביל לתת-פעילות של בלוטת התריס באזורים המכילים מספיק יוד בעולם¹. הוא מאופיין על ידי הסננה לימפוציטית נוגדנים עצמיים נגד אנטיגנים בלוטת התריס, המוביל להרס של אדריכלות בלוטת התריס היפותירואידיזם². בימוי של HT נועד להעריך את חומרת הטיפול ולהנחות אותו. הוא מסתמך על שילוב של סמנים ביוכימיים כגון הורמון מגרה בלוטת התריס (TSH) ונוגדנים עצמיים^של בלוטת התריס 3, כמו גם תכונות אולטראסונוגרפיות הנראות באולטרסאונד בלוטת התריס ^4,5,6.

בבדיקת אולטרסאונד, HT מדגים ממצאים אופייניים, כולל ירידה דיפוזית באקוגניות, אקו מרקם הטרוגני, מיקרונודולריות וזרימת דם מוגברת על צבע דופלר ^6,7. עם זאת, אולטרסאונד קונבנציונלי דו-ממדי (2D) בגווני אפור חסר שיטות כמותיות לניתוח שיטתי של תכונות אלה עבור היערכות HT⁸. הערכת השינויים בכלי הדם מוגבלת גם לבדיקה חזותית איכותית במצב דו-ממדי. הארכיטקטורה התלת-ממדית (3D) המורכבת של בלוטת התריס מעכבת עוד יותר הערכה יסודית באמצעות חיתוך דו-ממדי קונבנציונלי ^9,10. גורמים אלה מובילים להדמיית שטחים מתים ופרשנות שגויה, וכתוצאה מכך רגישות וספציפיות נמוכות, במיוחד עבור מתרגלים פחות מנוסים^11,12.

סריקת אולטרסאונד ידנית קונבנציונלית משלבת רכישה ואבחון בזמן אמת. הסתמכות משולבת זו על זרימת עבודה מגדילה את הסבירות לשגיאות פיקוח במהלך הסריקה. היעדר לוקליזציה מרחבית ומעקב הופך גם את זיהוי הנגעים והניטור ללא מדויקים^12,13. מערכות אולטרסאונד תלת ממדיות ייעודיות התפתחו כדי להתמודד עם מגבלות אלה והראו תוצאות מבטיחות^14,15. עם זאת, רוב טכנולוגיות האולטרסאונד התלת-ממדי דורשות מנגנוני סריקה מכניים מורכבים ומתמרים מיוחדים, מה שמוביל לעלויות גבוהות וחסמים לאימוץ.

כדי להתגבר על המגבלות של טכניקות אולטרסאונד דו-ממדיות ותלת-ממדיות קונבנציונליות, מחקר זה מציע פתרון שחזור והדמיה תלת-ממדי חדשני המותאם לבדיקת בלוטת התריס. באמצעות אולטרסאונד ידני זמין באופן נרחב, נרכשים תחילה מטאטא דו-ממדי מרובים כדי לסרוק את בלוטת התריס כולה. שחזור נפחי תלת-ממדי מתממש לאחר מכן על ידי רישום מרחבי ואיחוי של הרצפים הדו-ממדיים. במקביל, מסגרות דופלר צבעוניות נרשמות יחד כדי ליצור מפות כלי דם הממחישות שינויים בזרימת הדם. נפחי האפור התלת-ממדיים המשוחזרים ומפות כלי הדם הצבעוניים משולבים לבסוף בפלטפורמה אחת, ומאפשרים הדמיה רב-מישורית מסונכרנת ובדיקה מבנית-תפקודית משולבת.

טכניקת איחוי תלת-ממדית מוצעת זו מספקת הערכה שיטתית ומקיפה של המורפולוגיה המורכבת של בלוטת התריס מהיבטים שונים. על ידי מזעור שטחים מתים והפעלת סקירה כללית גלובלית, זה יכול לעזור לשפר את דיוק האבחון ולהפחית טעויות פיקוח, במיוחד לטובת מתרגלים מתחילים. ההדמיה הרב-מודאלית מאפשרת גם לוקליזציה מהירה ומדויקת של נגעים, וטומנת בחובה הבטחה לאבחון מוקדם וטיפול בגושים ובגידולים בבלוטת התריס. יתר על כן, השיטה מציגה ניתוח תכונות תלת ממדי כמותי שלא נחקר עבור היערכות HT בעבר. עם אימוץ רחב, יש לו פוטנציאל לתקנן ולהחפצן את הליכי אבחון האולטרסאונד תלויי הניסיון הנוכחיים. על ידי שילוב סינרגטי של שחזור תלת-ממדי ידני, מיזוג רב-מודאלי, ניתוח תכונות כמותי והדמיה גמישה בתהליך עבודה יעיל, טכניקה זולה וקלה לשימוש זו מייצגת קפיצה עוצמתית מבחינה אבחנתית מאולטרסאונד דו-ממדי קונבנציונלי לקידום בדיקת בלוטת התריס.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

מחקר זה אושר על ידי מועצת הסקירה המוסדית של בית החולים Sunsimiao המסונף לאוניברסיטת בייג'ינג לרפואה סינית. החולה גויס מהמחלקה לבלוטת התריס, בית החולים Sunsimiao. המטופלת עברה בדיקת אולטרסאונד של בלוטת התריס ונתנה הסכמה מדעת למחקר. במחקר זה, נעשה שימוש בנתוני אולטרסאונד 4D שנרכשו באמצעות מכשיר כף יד כדי לשחזר תצוגות תלת-מישוריות של בלוטת התריס. יתר על כן, הושגה הדמיית דופלר צבע סינכרונית בזמן אמת. כלי התוכנה המשמשים במחקר זה מפורטים בטבלת החומרים.

1. איסוף נתונים והכנתם

1. באמצעות מכשיר אולטרסאונד ידני נייד, הניחו את מתמר המערך הליניארי באופן רוחבי על צוואר המטופל כדי לדמות את בלוטת התריס במישור החתך. החליקו את הבדיקה לאט ובהתמדה לאורך בלוטת התריס תוך שמירה על מגע וכיוון של הבדיקה.
2. קבל רצף של תמונות רוחביות במצב B הממחישות מורפולוגיה של בלוטת התריס בקצב פריימים של 33 הרץ.
3. במקביל, יש למרוח דופלר צבע כדי לזהות את זרימת הדם בבלוטה ובכלי הדם. יש לסרוק מהקוטב העליון עד לקוטבי בלוטת התריס הנחותים כדי לכסות את כל הבלוטה. רצף ההדמיה הדינמי שנוצר מורכב מפרוסות רוחביות עוקבות היוצרות שתי ערכות נתונים 4D.
4. טעינה וגלישה של נתוני אולטרסאונד 4D B-mode
   1. העתק את כל נתוני DICOM לספריית עבודה מותאמת אישית.
      הערה: ספריית העבודה זהה הן במערכת ההפעלה והן ב- MATLAB. הקש Enter לאחר הקלדת כל שורה כדי להפעיל את הפקודה ב- MATLAB.
   2. ייבא את קובץ הנתונים US במצב B ל- MATLAB באמצעות הפונקציה dicomread , והשתמש בפונקציה size כדי להציג את ממדי הנתונים.
      1. פתחו את MATLAB במחשב.
      2. בחלון הפקודה , הקלד:
         VB0 = dicomread('fname.dcm');
         כאשר ניתן להחליף את 'fname.dcm' בשם הקובץ האמיתי של נתוני DICOM. פעולה זו תקרא בקובץ DICOM ותאחסן את נתוני התמונה במשתנה VB0.
      3. כדי להציג את גודל הנתונים שנטענו, הקלד:
         גודל (VB0),
         הערה: נתוני 4D שיובאו לכאן היו בממדים של 768 פיקסלים x 1024 פיקסלים x 3 x 601 שכבות. 768 פיקסלים x 1024 פיקסלים x 3 תואמים לתמונת RGB רגילה, שבה כל פיקסל מיוצג על-ידי שלושה ערוצים עם עומק של 24 סיביות. 601 השכבות מציינות את המספר הכולל של פרוסות סרוקות.
   3. התקשר לפונקציה US_B_Show כדי להמיר את נתוני המטריצה הארבע-ממדית לרצף וידאו רציף בגווני אפור שיושמע ברציפות לבדיקה מפורטת (ראה איור 1).
      1. כדי להמיר מטריצת נתוני אולטרסאונד 4D VB0 זו שיובאה בשלב 1.4.2.2 באמצעות הפונקציה dicomread בקובצי DICOM לרצף וידאו בגווני אפור הפועל ברציפות, התקשר לפונקציה US_B_Show על-ידי הקלדת הפקודה הבאה בחלון הפקודה של MATLAB:
         US_B_Show(VB0)
         כאשר VB0 הוא משתנה המטריצה ה-4D המכיל את נתוני האולטרסאונד שיובאו בעבר.
   4. ממשק המשתמש הגרפי באיור 1 מציג לחצני הפעלה להשהיה, קדימה, אחורה וכו'.
      1. לחצו על כפתור ההפעלה כדי להתחיל הפעלת וידאו רציפה של רצף המסגרות. השתמש בסמלי כלי בקרת ההשהיה וההפעלה לניווט גמיש בכל מסגרת. השתמשו בלחצני ההגדלה/הקטנה כדי להגדיל או למזער באופן דינמי את התמונות במהלך ההפעלה, ובלחצן ברירת המחדל של זום כדי לאפס לתצוגה המקורית של 1x.
      2. לחץ על הלחצן בדוק ערכי פיקסלים והזז את העכבר מעל אזור כדי לכסות על כוונת עם קואורדינטות ועוצמות פיקסלים לניתוח מקומי.
         הערה: בקרות אינטראקטיביות אלה מאפשרות בדיקה גמישה של מאפייני נתוני אולטרסאונד הן במרחב והן בזמן.
5. טעינה וגלישה של נתוני אולטרסאונד דופלר בצבע 4D
   1. ייבאו את קובץ נתוני האולטרסאונד של דופלר הצבע ל- MATLAB באמצעות הפונקציה dicomread , והשתמשו בפונקציית הגודל כדי להציג את מידות הנתונים.
      הערה: נתוני 4D שיובאו לכאן היו ממדים של 768 פיקסלים x 1024 פיקסלים x 3 x 331 שכבות. 768 פיקסלים x 1024 פיקסלים x 3 תואמים לתמונת RGB סטנדרטית, כאשר אדום וכחול מייצגים את זרימת הדם בכיוונים שונים. 331 השכבות מציינות את המספר הכולל של פרוסות סרוקות.
   2. השתמש בפונקציה US_C_Show כדי להמיר את נתוני המטריצה הארבע-ממדית לרצף וידאו צבעוני רציף שיושמע ברציפות לבדיקה מפורטת (ראה איור 2).
      הערה: ממשק המשתמש הגרפי באיור 2 כולל את אותה קבוצה של פקדים ופעולות אינטראקטיביים כפי שתואר קודם לכן בשלב 1.4.4 עבור איור 1.

2. תצפית סינכרונית של מצב B ואולטרסאונד דופלר צבע

הערה: נתוני האולטרסאונד 4D B-Mode המוצגים באיור 1 ונתוני האולטרסאונד 4D Color Doppler המוצגים באיור 2 מכילים את אותן חותמות זמן מוחלטות בממד הרביעי לאורך ציר הזמן. שדה זה נרשם במטה-נתונים של DICOM כ- FrameTimeVector. בהתבסס על ערכי הזמן בשדה זה, איור 1 ואיור 2 יכולים להיות מסונכרנים בזמן אמת.

1. לאחר קריאת שני קבצי 4D באמצעות הפקודה dicomread , בצע את הפונקציה Synchronize_B_C עם שתי המטריצות ה- 4D כקלט.
   הערה: איור 3 מציג את הווידאו שנוצר שעדיין ניתן להפעיל ברציפות. ההבדל כעת הוא שנתוני האולטרסאונד 4D B-Mode ונתוני האולטרסאונד 4D Color Doppler מסונכרנים בזמן אמת בתוך אותן מסגרות וידאו. ממשק המשתמש הגרפי באיור 3 כולל את אותה קבוצה של פקדים ופעולות אינטראקטיביים כפי שתואר קודם לכן בשלב 1.4.4 עבור איור 1.

3. שחזור תלת-מישורי סינכרוני לבלוטת התריס

הערה: כדי לאפשר לוקליזציה וכימות מדויקים יותר של נגעים, מחקר זה ביצע שחזור תלת-מישורי של בלוטת התריס מנתוני אולטרסאונד 4D שנרכשו, עם אינטראקטיביות בזמן אמת. זה מאפשר לרופאים לאתר נגעים במהירות ובדייקנות, ולהניח בסיס מוצק לכימות הבא של האזורים הפגועים.

1. קראו לפונקציית thyroid_triplanar עם נתוני האולטרסאונד במצב B 4D מאיור 1 כקלט כדי לגזור את שלושת המישורים האורתוגונליים (קורונלי, קשת וצירית) כפי שמוצג באיור 4.
2. האינטראקציה על הכוונת באיור 4 מאפשרת בדיקה בזמן אמת של חלקים שונים של בלוטת התריס. לחץ וגרור את מרכז הכוונת לבדיקה תלת ממדית שרירותית של האנטומיה של בלוטת התריס ששוחזרה מאולטרסאונד.
   הערה: ממשק המשתמש הגרפי באיור 4 מאפשר גם כוונון של טווח העוצמה, הניגודיות והבהירות של גווני האפור של התצוגות התלת-מישוריות.
3. לחץ וגרור את לחצן העכבר השמאלי מעל אזור כלשהו בתמונות לשינוי בזמן אמת של רמות הבהירות והניגודיות. שחרר את לחצן העכבר כדי לאשר ולסיים את ההתאמות.

4. שחזור תלת-מישורי סינכרוני לשדה זרימת דם תלת-ממדי

הערה: שחזור התצוגות התלת-מישוריות הסינכרוניות עבור שדה זרימת הדם התלת-ממדי בהתבסס על נתוני אולטרסאונד דופלר בצבע 4D חשוב גם מבחינה קלינית לאפיון דלקת בלוטת התריס של השימוטו (HT).

1. קראו לפונקציית thyroid_3D_blood עם נתוני האולטרסאונד במצב C 4D מאיור 2 כקלט כדי לגזור את שלושת המישורים האורתוגונליים (קורונלי, קשת וצירית) כפי שמוצג באיור 5.
2. האינטראקציה על הכוונת באיור 5 מאפשרת בדיקה בזמן אמת של חלקים שונים של בלוטת התריס. לחץ וגרור את מרכז הכוונת לבדיקה תלת ממדית שרירותית של האנטומיה של בלוטת התריס ששוחזרה מאולטרסאונד.
   הערה: ממשק המשתמש הגרפי באיור 5 מאפשר גם כוונון של טווח העוצמה, הניגודיות והבהירות של התצוגות התלת-מישוריות בגווני אפור.
3. לחץ וגרור את לחצן העכבר השמאלי מעל אזור כלשהו בתמונות לשינוי בזמן אמת של רמות הבהירות והניגודיות. שחרר את לחצן העכבר כדי לאשר ולסיים את ההתאמות.

5. סנכרון של תצוגות תלת-מישוריות במצב B ותצוגות דופלר תלת-מישוריות צבעוניות

הערה: בהתבסס על התצוגות התלת-מישוריות המוצגות באיור 4, סנכרון תמונות זרימת דופלר בצבע המתאים למיקומי הנגעים יקל ללא ספק על האבחון והכימות של ההתקדמות הפתולוגית בדלקת בלוטת התריס של השימוטו (HT).

1. גררו את הכוונת באיור 4 כדי לאתר את אזור העניין, ובצעו US_B2C כדי לקבל את המיקום המתאים בתצוגות התלת-מישוריות של דופלר הצבעוני.
2. גררו את הכוונת באיור 5 כדי לאתר את אזור העניין, ובצעו US_C2B כדי לקבל את המיקום המתאים בתצוגות התלת-מישוריות במצב B.
   הערה: איור 6 מניח בסיס אולטרה-סונוגרפי מוצק ללוקליזציה מדויקת ולאבחון סופי של נגעי בלוטת התריס של השימוטו (HT).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

כפי שניתן לראות בממשק המשתמש הגרפי (GUI) באיור 1 ובאיור 2, ניתן לבדוק את רצף סריקת האולטרסאונד באופן רציף. עם זאת, בדיקה דו-ממדית זו מסתמכת במידה רבה על הידע האנטומי של בלוטת התריס כדי לשחזר מנטלית את מיקום הנגע, דבר מאתגר עבור טירונים וגורם לחוסר עקביו...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

שלבים קריטיים בפרוטוקול
בעוד שלאיור 1 ולאיור 2 יש ערך לבדיקה ואבחון, קביעת מיקום הנגע ותצוגות מנקודות מבט אחרות דורשת ניסיון מומחה. לאבחון של דלקת בלוטת התריס של השימוטו (HT), סנכרון איור 1 ואיור 2 בזמן אמת הוא גם שלב ?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
MATLAB	MathWorks	2023B	Computing and visualization
Tools for Thyroid Disease Precision Quantification	Intelligent Entropy	Thyroid-3D V1.0	Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd. Modeling for Thyroid Disease