Синхронная трипланарная реконструкция, интегрированная с цветным допплеровским картированием для точной и быстрой локализации поражений щитовидной железы

Резюме

Здесь мы представляем методику 5D УЗИ, сочетающую мультипланарную 3D-реконструкцию и цветное допплеровское слияние, что позволяет синхронно визуализировать структурную и функциональную информацию щитовидной железы. Сводя к минимуму слепые зоны, этот метод позволяет быстро и точно локализовать поражения, повышая точность диагностики, что особенно полезно для начинающих практикующих врачей.

Аннотация

В данной работе предложена новая методика обследования щитовидной железы, основанная на пятимерной (5D) синхронной реконструкции данных УЗИ. Необработанные временные последовательности реконструируются в объемные 3D-данные, отражающие анатомическую структуру. Реализована трипланарная визуализация из трех ортогональных плоскостей, обеспечивающая систематический осмотр всей железы. Цветная допплеровская визуализация интегрирована в каждый трипланарный срез для отображения изменений васкуляризации. Это мультимодальное слияние обеспечивает синхронное отображение структурной, функциональной информации и информации о кровотоке в реконструированном 5D-пространстве. По сравнению с обычным сканированием этот метод предлагает такие преимущества, как гибкая диагностика в автономном режиме, снижение зависимости от сканирования, улучшенная интуитивная интерпретация и всесторонняя многоаспектная оценка. Сведя к минимуму ошибки при недосмотре, это может повысить точность диагностики, особенно для начинающих практиков. Предложенный метод 5D fusion позволяет быстро и точно локализовать очаги поражения для раннего обнаружения. В будущих работах будет изучаться интеграция с биохимическими маркерами для дальнейшего повышения точности диагностики. Методика имеет большое клиническое значение для углубленного исследования щитовидной железы.

Введение

Тиреоидит Хашимото (ГТ), наиболее частое аутоиммунное заболевание щитовидной железы (АИТД), является ведущей причиной гипотиреоза в йодсодержащих районах мира¹. Характеризуется лимфоцитарной инфильтрацией и аутоантителами к тиреоидным антигенам, приводящими к разрушению архитектуры щитовидной железы и гипотиреозу². Определение стадии ГТ направлено на оценку тяжести и принятие решений о лечении. Он основан на комбинации биохимических маркеров, таких как тиреотропный гормон (ТТГ) и аутоантитела к щитовидной железе³, а также на ультразвуковых признаках, видимых на УЗИ щитовидной железы ^4,5,6.

При ультразвуковом исследовании ГТ демонстрирует характерные признаки, включая диффузное снижение эхогенности, гетерогенную эхотекстуру, микроузелковость и увеличение кровотока на цветной допплерографии ^6,7. Тем не менее, в обычном двумерном (2D) сером ультразвуке отсутствуют количественные методы для систематического анализа этих характеристик для стадии^{HT 8}. Оценка сосудистых изменений также ограничивается качественным визуальным осмотром в режиме 2D. Сложная трехмерная (3D) архитектура щитовидной железы еще больше затрудняет тщательную оценку с помощью обычного 2D-среза ^9,10. Эти факторы приводят к слепым пятнам визуализации и неправильной интерпретации, что приводит к низкой чувствительности и специфичности, особенно у менее опытных практикующих врачей^11,12.

Обычное портативное ультразвуковое сканирование объединяет сбор данных и диагностику в режиме реального времени. Такая связанная зависимость от рабочего процесса увеличивает вероятность ошибок при сканировании. Отсутствие пространственной локализации и отслеживания также делает идентификацию и мониторинг поражения неточными^12,13. Для устранения этих ограничений появились специализированные ультразвуковые ^{3D-системы}, которые показали многообещающие результаты^14,15. Однако большинство ультразвуковых 3D-технологий требуют сложных механических сканирующих механизмов и специализированных датчиков, что приводит к высоким затратам и препятствиям для внедрения.

Чтобы преодолеть ограничения традиционных 2D и 3D ультразвуковых методов, в этом исследовании предлагается новое решение для 3D-реконструкции и визуализации, адаптированное для обследования щитовидной железы. Используя широко доступное портативное ультразвуковое исследование, сначала получают несколько 2D-снимков для сканирования всей щитовидной железы. Объемная 3D-реконструкция осуществляется путем пространственной регистрации и слияния 2D-последовательностей. В то же время цветные допплеровские кадры регистрируются для создания карт васкуляризации, визуализирующих изменения кровотока. Реконструированные 3D-объемы в оттенках серого и цветные карты васкуляризации наконец-то интегрированы в единую платформу, что позволяет синхронизировать многоплоскостную визуализацию и комбинированный структурно-функциональный контроль.

Предлагаемый метод 3D-слияния обеспечивает систематическую и всестороннюю оценку сложной морфологии щитовидной железы в различных аспектах. Сводя к минимуму слепые зоны и обеспечивая глобальный обзор, это может помочь повысить точность диагностики и уменьшить количество ошибок при наблюдении, что особенно полезно для начинающих практиков. Мультимодальная визуализация также способствует быстрой и точной локализации поражений, что открывает перспективы для ранней диагностики и лечения узлов щитовидной железы и опухолей. Кроме того, метод вводит количественный 3D-анализ признаков, который ранее не исследовался для стадирования HT. При широком распространении он обладает потенциалом для стандартизации и объективизации существующих процедур ультразвуковой диагностики, зависящих от опыта. Благодаря синергетической интеграции портативной 3D-реконструкции, мультимодального слияния, количественного анализа признаков и гибкой визуализации в оптимизированный рабочий процесс, этот недорогой и простой в использовании метод представляет собой диагностически мощный скачок по сравнению с обычным 2D-ультразвуком для улучшения исследования щитовидной железы.

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

протокол

Это исследование было одобрено Институциональным наблюдательным советом больницы Сунсимяо, связанной с Пекинским университетом китайской медицины. Пациент был набран из отделения щитовидной железы больницы Сунсимяо. Пациентка прошла ультразвуковое исследование щитовидной железы и дала информированное согласие на исследование. В этом исследовании данные 4D-УЗИ, полученные с помощью портативного устройства, были использованы для реконструкции трипланарных изображений щитовидной железы. Кроме того, была достигнута синхронная цветная допплеровская визуализация в режиме реального времени. Программные средства, использованные в данном исследовании, перечислены в таблице материалов.

1. Сбор и подготовка данных

1. Используя портативный портативный ультразвуковой аппарат, поместите датчик линейной решетки поперек на шею пациента, чтобы визуализировать щитовидную железу в плоскости поперечного сечения. Медленно и равномерно перемещайте зонд по всей длине щитовидной железы, сохраняя контакт и ориентацию датчика.
2. Получение последовательности поперечных изображений в B-режиме, визуализирующих морфологию щитовидной железы, с частотой кадров 33 Гц.
3. Одновременно применяют цветной допплер для определения кровотока в железе и сосудах. Сканирование от верхнего до нижнего полюсов щитовидной железы, чтобы покрыть всю железу. Результирующая последовательность динамических изображений состоит из последовательных поперечных срезов, образующих два набора 4D-данных.
4. Загрузка и просмотр данных УЗИ 4D B-режима
   1. Скопируйте все данные DICOM в настраиваемый рабочий каталог.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Рабочий каталог одинаков как в операционной системе, так и в MATLAB. Нажимайте клавишу Enter после ввода каждой строки, чтобы выполнить команду в MATLAB.
   2. Импортируйте файл данных УЗИ в B-режиме в MATLAB с помощью функции dicomread и используйте функцию size для просмотра размеров данных.
      1. Откройте MATLAB на компьютере.
      2. В командном окне введите:
         VB0 = dicomread('fname.dcm');
         Где 'fname.dcm' может быть заменено фактическим именем файла данных DICOM. Это считывает данные DICOM-файла и сохраняет данные изображения в переменной VB0.
      3. Чтобы просмотреть размер загруженных данных, введите:
         размер(VB0),
         ПРИМЕЧАНИЕ: 4D-данные, импортированные сюда, имеют размеры 768 пикселей x 1024 пикселей x 3 x 601 слоев. 768 пикселей x 1024 x 3 соответствует стандартному изображению RGB, где каждый пиксель представлен тремя каналами с 24-битной глубиной. 601 слой показывает общее количество отсканированных срезов.
   3. Вызовите функцию US_B_Show для преобразования данных 4D-матрицы в непрерывную видеопоследовательность в градациях серого для непрерывного воспроизведения для детального изучения (см. рис. 1).
      1. Чтобы преобразовать эту матрицу данных 4D ультразвука VB0, импортированную на шаге 1.4.2.2 с помощью функции dicomread в файлах DICOM, в непрерывно воспроизводимую видеопоследовательность в градациях серого, вызовите функцию US_B_Show , введя следующую команду в командном окне MATLAB:
         US_B_Show(VB0)
         Где VB0 — переменная 4D матрицы, содержащая ранее импортированные данные УЗИ.
   4. Графический интерфейс на рисунке 1 показывает кнопки воспроизведения для паузы, вперед, назад и т.д.
      1. Нажмите кнопку воспроизведения , чтобы начать непрерывное воспроизведение последовательности кадров. Используйте значки инструментов паузы и воспроизведения для гибкой навигации по любому кадру. Используйте кнопки увеличения/уменьшения масштаба для динамического увеличения или сокращения изображений во время воспроизведения, а также кнопку масштабирования по умолчанию для сброса к исходному 1-кратному виду.
      2. Нажмите на кнопку проверки значений пикселов и наведите курсор мыши на область, чтобы наложить перекрестие с координатами пикселей и интенсивностями для локального анализа.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Эти интерактивные элементы управления обеспечивают гибкую проверку характеристик ультразвуковых данных как в пространстве, так и во времени.
5. Загрузка и просмотр данных 4D цветного допплеровского УЗИ
   1. Импортируйте файл данных цветного допплеровского ультразвука в MATLAB с помощью функции dicomread и используйте функцию size для просмотра размеров данных.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Импортированные сюда 4D-данные имели размеры 768 пикселей x 1024 пикселей x 3 x 331 слоев. 768 пикселей x 1024 пикселей x 3 соответствует стандартному изображению RGB, где красный и синий цвета представляют кровоток в разных направлениях. 331 слой показывает общее количество отсканированных срезов.
   2. Используйте функцию US_C_Show для преобразования данных 4D-матрицы в непрерывную цветную видеопоследовательность для непрерывного воспроизведения для детального изучения (см. рис. 2).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Графический интерфейс на рисунке 2 имеет тот же набор интерактивных элементов управления и операций, что и описанный ранее на шаге 1.4.4 для рисунка 1.

2. Синхронное наблюдение за В-режимом и цветным допплеровским ультразвуком

ПРИМЕЧАНИЕ: Данные 4D B-режима, показанные на рисунке 1 , и данные 4D-цветного допплеровского ультразвукового исследования, показанные на рисунке 2 , содержат одни и те же абсолютные метки времени в четвертом измерении вдоль временной оси. Это поле записывается в метаданные DICOM как FrameTimeVector. Основываясь на значениях времени в этом поле, рисунки 1 и 2 могут быть синхронизированы в режиме реального времени.

1. После считывания двух 4D-файлов с помощью команды dicomread выполните функцию Synchronize_B_C с двумя 4D-матрицами в качестве входных данных.
   ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 3 показано результирующее видео, которое можно воспроизводить непрерывно. Разница заключается в том, что данные 4D B-режима ультразвука и данные 4D цветного допплеровского ультразвука синхронизируются в режиме реального времени в рамках одних и тех же видеокадров. Графический интерфейс на рисунке 3 имеет тот же набор интерактивных элементов управления и операций, что и описанный ранее на шаге 1.4.4 для рисунка 1.

3. Синхронная трипланарная реконструкция щитовидной железы

ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы обеспечить более точную локализацию и количественную оценку поражений, в данном исследовании была проведена трипланарная реконструкция щитовидной железы по полученным 4D ультразвуковым данным с интерактивностью в режиме реального времени. Это позволяет клиницистам быстро и точно выявлять поражения, закладывая прочную основу для последующей количественной оценки пораженных участков.

1. Вызовите функцию thyroid_triplanar с данными 4D B-режима ультразвука с рисунка 1 в качестве входных данных, чтобы получить три ортогональные плоскости (корональную, сагиттальную и аксиальную), как показано на рисунке 4.
2. Взаимодействие с перекрестием на рисунке 4 позволяет в режиме реального времени осматривать различные части щитовидной железы. Щелкните и перетащите центр перекрестия для произвольного 3D-исследования анатомии щитовидной железы, реконструированного по УЗИ.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Графический интерфейс на рисунке 4 также позволяет регулировать диапазон интенсивности оттенков серого, контрастность и яркость трехпланарных видов.
3. Нажмите и перетащите левую кнопку мыши на любую область изображения для изменения уровней яркости и контрастности в режиме реального времени. Отпустите кнопку мыши, чтобы подтвердить и завершить настройки.

4. Синхронная трипланарная реконструкция для 3D поля кровотока

ПРИМЕЧАНИЕ: Реконструкция синхронных трипланарных изображений 3D-поля кровотока на основе данных 4D цветной допплерографии также клинически важна для характеристики тиреоидита Хашимото (ГТ).

1. Вызовите функцию thyroid_3D_blood с данными 4D C-mode ультразвука с рисунка 2 в качестве входных данных, чтобы получить три ортогональные плоскости (корональную, сагиттальную и аксиальную), как показано на рисунке 5.
2. Взаимодействие с перекрестием на рисунке 5 позволяет в режиме реального времени осматривать различные части щитовидной железы. Щелкните и перетащите центр перекрестия для произвольного 3D-исследования анатомии щитовидной железы, реконструированного по УЗИ.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Графический интерфейс на рисунке 5 также позволяет регулировать диапазон интенсивности оттенков серого, контрастность и яркость трехпланарных видов.
3. Нажмите и перетащите левую кнопку мыши на любую область изображения для изменения уровней яркости и контрастности в режиме реального времени. Отпустите кнопку мыши, чтобы подтвердить и завершить настройки.

5. Синхронизация B-режимных трипланарных видов и цветных доплеровских трипланарных видов

ПРИМЕЧАНИЕ: Основываясь на трипланарных видах, показанных на рисунке 4, синхронизация соответствующих цветных допплеровских изображений потока с местами поражения, несомненно, облегчит диагностику и количественную оценку патологического прогрессирования при тиреоидите Хашимото (ГТ).

1. Перетащите взаимодействие с перекрестием на рисунке 4 , чтобы найти интересующую область, и выполните US_B2C , чтобы получить соответствующее местоположение в цветных доплеровских трипланарных видах.
2. Перетащите взаимодействие с перекрестием на рисунке 5 , чтобы найти интересующую область, и выполните US_C2B , чтобы получить соответствующее местоположение в трехплоскостных видах B-режима.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 6 закладывает прочную основу для точной локализации и окончательной диагностики поражений тиреоидита (ГТ) Хашимото.

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

Результаты

Как показано в графическом интерфейсе пользователя (GUI) на рисунках 1 и 2, последовательность ультразвукового сканирования можно проверять непрерывно. Тем не менее, это двумерное исследование в значительной степени зависит от анатомических зна?...

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

Обсуждение

Критические шаги в протоколе
Несмотря на то, что Рисунок 1 и Рисунок 2 имеют ценность для осмотра и диагностики, определение местоположения поражения и ракурсов с других точек зрения требует экспертного опыта. Для диагностики тиреоидита Хашим?...

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

Материалы

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