갑상선 병변의 정확하고 신속한 국소화를 위해 컬러 도플러 매핑과 통합된 동기식 삼면 재구성

요약

여기에서는 갑상선 구조 및 기능 정보의 동기식 시각화를 가능하게 하는 다중 평면 3D 재구성과 컬러 도플러 융합을 결합한 5D 초음파 기술을 제시합니다. 사각지대를 최소화함으로써 이 방법은 병변의 위치를 빠르고 정확하게 파악하여 진단 정확도를 향상시켜 특히 초보 의사에게 도움이 됩니다.

초록

본 논문은 초음파 데이터의 5차원(5D) 동기식 재구성을 기반으로 한 새로운 갑상선 검사 기법을 제안한다. 원시 시간 시퀀스는 해부학적 구조를 반영하는 3D 체적 데이터로 재구성됩니다. 3개의 직교 평면에서 삼면 시각화를 실현하여 전체 글랜드에 대한 체계적인 검사를 제공합니다. 컬러 도플러 이미징은 각 삼면 슬라이스에 통합되어 혈관 변화를 매핑합니다. 이 멀티모달 융합을 통해 재구성된 5D 공간에서 구조적, 기능적, 혈류 정보를 동시에 표시할 수 있습니다. 기존 스캐닝과 비교하여 이 기술은 유연한 오프라인 진단, 스캐닝에 대한 의존도 감소, 향상된 직관적 해석 및 포괄적인 다측면 평가의 이점을 제공합니다. 감독 오류를 최소화함으로써 특히 초보 의사의 진단 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 제안된 5D 융합 방법을 사용하면 조기 발견을 위해 병변의 위치를 빠르고 정확하게 파악할 수 있습니다. 향후 연구에서는 진단 정밀도를 더욱 향상시키기 위해 생화학 마커와의 통합을 탐구할 것입니다. 이 기술은 갑상선 검사를 진행하는 데 상당한 임상적 가치가 있습니다.

서문

하시모토 갑상선염(Hashimoto's thyroiditis, HT)은 가장 흔한 자가면역성 갑상선 질환(AITD)으로, 전 세계 요오드 부족 지역에서 갑상선 기능 저하증의 주요 원인이다¹. 림프구 침윤과 갑상선 항원에 대한 자가항체가 발생하여 갑상선 구조의 파괴와 갑상선 기능 저하증을 유발하는 것이 특징이다². HT의 병기는 중증도를 평가하고 치료 결정을 안내하는 것을 목표로 합니다. 갑상선 자극 호르몬(thyroid stimulating hormone, TSH)과 갑상선 자가항체(thyroid autoantibodies⁾³와 같은 생화학적 표지자(marker)와 갑상선 초음파에서 볼 수 있는 초음파 특징(ultrasonographic features)의 조합에 의존한다 ^4,5,6.

초음파 검사에서 HT는 컬러 도플러 ^6,7에서 확산 감소된 에코원성, 이질적인 에코텍스처, 미세 결절성 및 혈류 증가를 포함한 특징적인 소견을 보여줍니다. 그러나, 종래의 2차원(2D) 그레이스케일 초음파는 HT 병기 결정8을 위해 이러한 특징들을 체계적으로 분석하기 위한 정량적 방법이^{부족하다.} 혈관 변화의 평가는 2D 모드의 정성적 육안 검사로 제한됩니다. 갑상선의 복잡한 3차원(3D) 구조는 기존의 2D 슬라이싱 ^9,10을 사용한 철저한 평가를 더욱 방해합니다. 이러한 요인은 이미징 사각지대와 오해로 이어져 특히 경험이 적은 실무자에게 낮은 민감도와 특이도를 초래합니다^11,12.

기존의 휴대용 초음파 스캔은 실시간 획득 및 진단을 통합합니다. 이러한 결합된 워크플로 의존도는 스캔 중 감독 오류의 가능성을 높입니다. 또한 공간적 위치 파악 및 추적이 부족하기 때문에 병변 식별 및 모니터링이 부정확하다^12,13. 이러한 한계를 해결하기 위해 전용 3D 초음파 시스템이 등장했으며 유망한 결과를 보여주었습니다^14,15. 그러나 대부분의 3D 초음파 기술에는 복잡한 기계적 스캐닝 메커니즘과 특수 변환기가 필요하므로 비용이 많이 들고 채택이 장벽이 있습니다.

본 연구는 기존의 2D 및 3D 초음파 기술의 한계를 극복하기 위해 갑상선 검사에 적합한 새로운 3D 재구성 및 시각화 솔루션을 제안합니다. 널리 사용되는 휴대용 초음파를 사용하여 먼저 여러 번의 2D 스윕을 통해 전체 갑상선을 스캔합니다. 그런 다음 3D 체적 재구성은 공간 정합 및 2D 시퀀스의 융합을 통해 실현됩니다. 동시에 컬러 도플러 프레임은 혈류 변화를 시각화하는 혈관 맵을 생성하기 위해 공동 등록됩니다. 재구성된 3D 그레이스케일 부피와 컬러 혈관 맵이 마침내 단일 플랫폼에 통합되어 동기화된 다중 평면 시각화 및 결합된 구조-기능 검사가 가능합니다.

이 제안된 3D 융합 기술은 다양한 측면에서 복잡한 갑상선 형태에 대한 체계적이고 포괄적인 평가를 제공합니다. 사각지대를 최소화하고 글로벌 오버뷰를 가능하게 함으로써 진단 정확도를 개선하고 감독 오류를 줄이는 데 도움이 될 수 있으며, 특히 초보 의사에게 도움이 될 수 있습니다. 멀티모달 시각화는 또한 병변의 위치를 빠르고 정확하게 파악하여 갑상선 결절 및 종양의 조기 진단 및 치료를 가능하게 합니다. 또한 이 방법은 이전에 HT 스테이징에 대해 조사되지 않은 정량적 3D 특징 분석을 도입합니다. 널리 채택되면 현재 경험에 의존하는 초음파 진단 절차를 표준화하고 객관화할 수 있는 잠재력이 있습니다. 휴대용 3D 재구성, 다중 모드 융합, 정량적 특징 분석 및 유연한 시각화를 간소화된 워크플로우에 시너지 효과를 발휘하는 이 기술은 갑상선 검사를 발전시키기 위해 기존 2D 초음파에서 진단적으로 강력한 도약을 나타냅니다.

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프로토콜

이 연구는 베이징 중의약 대학 부속 Sunsimiao Hospital의 Institutional Review Board의 승인을 받았습니다. 환자는 Sunsimiao 병원 갑상선과에서 모집되었습니다. 환자는 갑상선 초음파 검사를 받았고 연구에 대한 정보에 입각한 동의를 했습니다. 이 연구에서는 휴대용 장치를 사용하여 획득한 4D 초음파 데이터를 활용하여 갑상선의 삼면 보기를 재구성했습니다. 또한, 실시간 동기식 컬러 도플러 이미징이 이루어졌습니다. 이 연구에 사용된 소프트웨어 도구는 재료 표에 나열되어 있습니다.

1. 데이터 수집 및 준비

1. 휴대용 휴대용 초음파 장치를 사용하여 선형 어레이 변환기를 환자의 목에 가로로 배치하여 단면면에서 갑상선을 촬영합니다. 프로브 접촉과 방향을 유지하면서 갑상선의 길이를 따라 프로브를 천천히 꾸준히 밉니다.
2. 33Hz의 프레임 속도로 갑상선 형태를 시각화하는 일련의 횡방향 B 모드 이미지를 획득합니다.
3. 동시에 컬러 도플러를 적용하여 분비샘과 혈관의 혈류를 감지합니다. 갑상선 극 전체를 덮기 위해 갑상선 극에서 하부 갑상선을 스캔합니다. 결과 동적 이미징 시퀀스는 두 개의 4D 데이터 세트를 형성하는 연속적인 횡방향 슬라이스로 구성됩니다.
4. 4D B 모드 초음파 데이터 로드 및 탐색
   1. 모든 DICOM 데이터를 사용자 지정된 작업 디렉터리에 복사합니다.
      참고: 작업 디렉터리는 운영 체제와 MATLAB 모두에서 동일합니다. 각 라인을 입력한 후 Enter 키를 눌러 MATLAB에서 명령을 실행합니다.
   2. dicomread 함수를 사용하여 B 모드 US 데이터 파일을 MATLAB으로 가져오고, size 함수를 사용하여 데이터의 차원을 확인합니다.
      1. 컴퓨터에서 MATLAB을 엽니다.
      2. 명령 창에 다음을 입력합니다.
         VB0 = dicomread('fname.dcm');
         여기서 'fname.dcm'는 DICOM 데이터의 실제 파일 이름으로 대체될 수 있습니다. 이것은 DICOM 파일을 읽고 변수 VB0에 이미지 데이터를 저장합니다.
      3. 로드된 데이터의 크기를 보려면 다음과 같이 입력합니다.
         크기(VB0),
         참고: 여기서 가져온 4D 데이터의 크기는 768픽셀 x 1024픽셀 x 3 x 601 레이어입니다. 768픽셀 x 1024픽셀 x 3은 표준 RGB 이미지에 해당하며, 각 픽셀은 24비트 심도의 3개 채널로 표현됩니다. 601개의 레이어는 스캔한 슬라이스의 총 수를 나타냅니다.
   3. US_B_Show 함수를 호출하여 4D 행렬 데이터를 연속 회색조 비디오 시퀀스로 변환하여 자세한 검사를 위해 연속적으로 재생할 수 있습니다(그림 1 참조).
      1. DICOM 파일의 dicomread 함수를 사용하여 1.4.2.2단계에서 가져온 이 4차원 초음파 데이터 행렬 VB0을 연속적으로 재생되는 회색조 비디오 시퀀스로 변환하려면 MATLAB 명령 창에 다음 명령을 입력하여 US_B_Show 함수를 호출하십시오.
         US_B_Show(VB0)
         여기서 VB0은 이전에 가져온 초음파 데이터를 포함하는 4D 매트릭스 변수입니다.
   4. 그림 1의 GUI는 일시 중지, 앞으로, 되감기 등을 위한 재생 버튼을 보여줍니다.
      1. 재생 버튼을 눌러 프레임 시퀀스의 연속 비디오 재생을 시작합니다. 일시 중지 및 재생 제어 도구 아이콘을 사용하여 모든 프레임을 유연하게 탐색할 수 있습니다. 확대/축소 버튼을 사용하여 재생 중에 이미지를 동적으로 확대 또는 축소하고 기본 확대 버튼을 사용하여 원래 1x 보기로 재설정합니다.
      2. 픽셀 값 검사 버튼을 클릭하고 영역 위로 마우스를 이동하여 현지화된 분석을 위해 픽셀 좌표 및 강도로 십자선을 오버레이합니다.
         참고: 이러한 대화형 제어를 통해 공간과 시간에 걸쳐 초음파 데이터 특성을 유연하게 검사할 수 있습니다.
5. 4D 컬러 도플러 초음파 데이터 불러오기 및 찾아보기
   1. dicomread 함수를 사용하여 컬러 도플러 초음파 데이터 파일을 MATLAB으로 가져오고, size 함수를 사용하여 데이터의 차원을 확인합니다.
      참고: 여기에서 가져온 4D 데이터의 크기는 768픽셀 x 1024픽셀 x 3 x 331 레이어입니다. 768 픽셀 x 1024 픽셀 x 3은 표준 RGB 이미지에 해당하며, 빨간색과 파란색은 서로 다른 방향의 혈류를 나타냅니다. 331개의 레이어는 스캔한 슬라이스의 총 수를 나타냅니다.
   2. US_C_Show 기능을 사용하여 4D 매트릭스 데이터를 연속 컬러 비디오 시퀀스로 변환하여 자세한 검사를 위해 연속적으로 재생할 수 있습니다(그림 2 참조).
      참고: 그림 2 의 GUI에는 그림 1의 1.4.4단계에서 설명한 것과 동일한 대화형 제어 및 작업 집합이 있습니다.

2. B-모드와 컬러 도플러 초음파의 동시 관찰

참고: 그림 1 의 4D B-모드 초음파 데이터와 그림 2 의 4D 컬러 도플러 초음파 데이터에는 시간 축을 따라 4차원에 동일한 절대 타임 스탬프가 포함되어 있습니다. 이 필드는 DICOM 메타데이터에 FrameTimeVector로 기록됩니다. 이 필드의 시간 값에 따라 그림 1 과 그림 2 를 실시간으로 동기화할 수 있습니다.

1. dicomread 명령을 사용하여 두 개의 4차원 파일을 읽은 후 두 개의 4차원 행렬을 입력값으로 사용하여 Synchronize_B_C 함수를 실행합니다.
   참고: 그림 3 은 계속 재생할 수 있는 결과 비디오를 보여줍니다. 차이점은 4D B-Mode 초음파 데이터와 4D 컬러 도플러 초음파 데이터가 동일한 비디오 프레임 내에서 실시간으로 동기화된다는 것입니다. 그림 3 의 GUI에는 그림 1의 1.4.4단계에서 설명한 것과 동일한 대화형 제어 및 작업 집합이 있습니다.

3. 갑상선에 대한 동기 삼면 재건

참고: 병변의 위치를 보다 정확하게 파악하고 정량화할 수 있도록 이 연구는 실시간 상호 작용으로 획득한 4D 초음파 데이터에서 갑상선의 삼면 재구성을 수행했습니다. 이를 통해 임상의는 병변을 빠르고 정확하게 찾아낼 수 있으며, 영향을 받는 부위의 후속 정량화를 위한 견고한 토대를 마련할 수 있습니다.

1. 그림 1의 4D B 모드 초음파 데이터를 입력으로 사용하여 thyroid_triplanar 함수를 호출하여 그림 4와 같이 3개의 직교 평면(코로나, 시상, 축)을 도출합니다.
2. 그림 4의 십자선 상호 작용을 통해 갑상선의 여러 부분을 실시간으로 검사할 수 있습니다. 십자선의 중심을 클릭하고 드래그하여 초음파에서 재구성한 갑상선 해부학의 임의의 3D 검사를 수행합니다.
   참고: 그림 4 의 GUI를 사용하면 삼각면 보기의 그레이스케일 강도 범위, 대비 및 밝기를 조정할 수도 있습니다.
3. 마우스 왼쪽 버튼을 이미지의 아무 영역이나 누르고 드래그하여 밝기와 대비 수준을 실시간으로 수정할 수 있습니다. 마우스 버튼을 놓아 조정을 확인하고 완료합니다.

4. 3D 혈류장에 대한 동기식 삼면 재구성

참고: 4D 컬러 도플러 초음파 데이터를 기반으로 3D 혈류장에 대한 동기 삼면 보기를 재구성하는 것도 하시모토 갑상선염(HT)을 특성화하는 데 임상적으로 중요합니다.

1. 그림 2의 4D C 모드 초음파 데이터를 입력으로 사용하여 thyroid_3D_blood 함수를 호출하여 그림 5와 같이 세 개의 직교 평면(코로나, 시상, 축)을 도출합니다.
2. 그림 5의 십자선 상호 작용을 통해 갑상선의 여러 부분을 실시간으로 검사할 수 있습니다. 십자선의 중심을 클릭하고 드래그하여 초음파에서 재구성한 갑상선 해부학의 임의의 3D 검사를 수행합니다.
   참고: 그림 5 의 GUI를 사용하면 삼각면 보기의 그레이스케일 강도 범위, 대비 및 밝기를 조정할 수도 있습니다.
3. 마우스 왼쪽 버튼을 이미지의 아무 영역이나 누르고 드래그하여 밝기와 대비 수준을 실시간으로 수정할 수 있습니다. 마우스 버튼을 놓아 조정을 확인하고 완료합니다.

5. B-모드 삼면 보기와 컬러 도플러 삼면 보기의 동기화

참고: 그림 4에 표시된 삼면 보기를 기반으로 해당 컬러 도플러 흐름 이미지를 병변 위치에 동기화하면 의심할 여지 없이 하시모토 갑상선염(HT)의 병리학적 진행을 진단하고 정량화하는 데 도움이 될 것입니다.

1. 그림 4의 십자선 상호 작용을 끌어 관심 영역을 찾고 US_B2C 실행하여 컬러 도플러 삼면 보기에서 해당 위치를 가져옵니다.
2. 그림 5의 십자선 교호작용을 끌어 관심 영역을 찾고 US_C2B 실행하여 B 모드 삼면 보기에서 해당 위치를 가져옵니다.
   참고: 그림 6 은 하시모토 갑상선염(HT) 병변의 정확한 위치 파악 및 최종 진단을 위한 견고한 초음파 촬영 기반을 마련합니다.

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결과

그림 1 및 그림 2의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)에서 볼 수 있듯이 초음파 스캐닝 시퀀스를 지속적으로 확인할 수 있습니다. 그러나 이 2차원 검사는 병변의 위치를 정신적으로 재구성하기 위해 갑상선 전문의의 해부학적 지식에 크게 의존하기 때문에 초보자에게는 어렵고 정량적 일관성이 부족합니다. 그림 3은 B-?...

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토론

프로토콜의 중요한 단계
그림 1과 그림 2는 검사 및 진단에 가치가 있지만 병변 위치를 결정하고 다른 관점에서 보려면 전문적인 경험이 필요합니다. 하시모토 갑상선염(HT)의 진단을 위해서는 그림 1과 그림 2를 실시간으로 동기화하는 것도 중요하고 중요한 단계입니다. 프로토콜 단계 3.3은

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자료

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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