Summary
ここでは、多面3次元再構成とカラードップラー融合を組み合わせた5次元超音波技術により、甲状腺の構造情報と機能情報を同期的に可視化することができます。死角を最小限に抑えることで、この方法は病変の迅速かつ正確な局在化を可能にし、診断精度を向上させ、特に初心者の開業医に利益をもたらします。
Abstract
本稿では、超音波データの5次元(5D)同期再構成に基づく新しい甲状腺検査技術を提案する。生の時間配列は、解剖学的構造を反映した3Dボリュームデータに再構築されます。直交する3つの平面からの三面的な可視化を実現し、腺全体の体系的な検査を提供します。カラードップラーイメージングは、血管の変化をマッピングするために、各トリプラナースライスに統合されています。このマルチモーダル融合により、再構築された5D空間における構造情報、機能情報、血流情報を同期表示することができます。従来のスキャンと比較して、この技術は、柔軟なオフライン診断、スキャンへの依存度の低減、直感的な解釈の強化、包括的な多面評価などの利点を提供します。見落としの誤りを最小限に抑えることで、特に初心者の開業医にとって、診断の精度を向上させることができます。提案された5D融合法は、病変の迅速かつ正確な局在化を可能にし、早期発見を可能にします。今後の研究では、診断精度をさらに向上させるために、生化学マーカーとの統合を検討しています。この技術は、甲状腺検査を進めるためにかなりの臨床的価値があります。
Introduction
橋本甲状腺炎(HT)は、最も頻度の高い自己免疫性甲状腺疾患(AITD)であり、世界のヨウ素が豊富な地域における甲状腺機能低下症の主な原因です1。リンパ球浸潤と甲状腺抗原に対する自己抗体を特徴とし、甲状腺構造の破壊と甲状腺機能低下症を引き起こします2。HTの病期分類は、重症度を評価し、治療の決定を導くことを目的としています。これは、甲状腺刺激ホルモン(TSH)や甲状腺自己抗体3などの生化学的マーカーの組み合わせと、甲状腺超音波検査で見られる超音波検査の特徴に依存しています4,5,6。
超音波検査では、HTは、カラードップラー6,7のびまん性エコー源性の低下、不均一なエコーテクスチャー、微小結節性、血流の増加などの特徴的な所見を示します。しかしながら、従来の2次元(2D)グレースケール超音波は、HT病期分類のためにこれらの特徴を系統的に分析するための定量的方法を欠いている8。血管性の変化の評価も、2Dモードでの定性的な目視検査に限定されています。甲状腺の複雑な3次元(3D)構造は、従来の2Dスライス9,10を使用した徹底的な評価をさらに妨げます。これらの要因は、画像の盲点や誤解につながり、特に経験の浅い開業医にとって、感度と特異度が低くなります11,12。
従来のハンドヘルド超音波スキャンは、リアルタイムの取得と診断を統合しています。このワークフローへの依存が組み合わさっているため、スキャン中に見落としエラーが発生する可能性が高くなります。また、空間的な位置特定と追跡が欠如しているため、病変の識別とモニタリングは不正確になります12,13。これらの制限に対処するために専用の3D超音波システムが登場し、有望な結果を示しています14,15。しかし、ほとんどの3D超音波技術は、複雑な機械的スキャン機構と特殊なトランスデューサを必要とするため、コストが高く、導入の障壁となっています。
従来の2Dおよび3D超音波技術の限界を克服するために、この研究では、甲状腺検査用に調整された新しい3D再構成および視覚化ソリューションを提案します。広く普及している携帯型超音波を使用して、最初に複数の2Dスイープを取得して、甲状腺全体をスキャンします。次に、3Dボリューム再構成は、2Dシーケンスの空間レジストレーションと融合によって実現されます。同時に、カラードップラーフレームを同時登録し、血流の変化を視覚化する血管マップを作成します。再構成された3Dグレースケールボリュームとカラー血管マップは、最終的に単一のプラットフォームに統合され、同期された多面的な視覚化と構造と機能を組み合わせた検査が可能になります。
この提案された3D融合技術は、複雑な甲状腺形態をさまざまな側面から体系的かつ包括的に評価します。盲点を最小限に抑え、グローバルな俯瞰を可能にすることで、診断精度の向上と見落としミスの削減に役立ち、特に初心者の開業医に利益をもたらす可能性があります。また、マルチモーダルな可視化により、病変の迅速かつ正確な局在化が容易になり、甲状腺結節や腫瘍の早期診断と治療が期待されます。さらに、この方法は、これまでHT病期分類で調査されていなかった定量的な3D特徴分析を導入しています。広く採用されれば、現在の経験に依存する超音波診断手順を標準化し、客観化できる可能性があります。ハンドヘルド3D再構成、マルチモーダル融合、定量的特徴分析、柔軟な可視化を合理化されたワークフローに相乗的に統合することにより、この低コストで使いやすい技術は、甲状腺検査を進歩させるための従来の2D超音波からの診断的に強力な飛躍を表しています。
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Protocol
この研究は、北京中医薬大学と提携している孫思廟病院の治験審査委員会によって承認されました。患者は、Sunsimiao病院の甲状腺部門から募集されました。患者は甲状腺超音波検査を受け、研究のためにインフォームドコンセントを与えました。この調査では、ハンドヘルドデバイスを使用して取得した4D超音波データを利用して、甲状腺の三面図を再構築しました。さらに、リアルタイム同期カラードップラーイメージングを実現しました。本研究で使用したソフトウェアツールは、 材料表に記載されています。
1. データ収集と準備
- 携帯型ハンドヘルド超音波装置を使用して、リニアアレイトランスデューサを患者の頸部に横置き、断面面で甲状腺を画像化します。プローブの接触と向きを維持しながら、甲状腺の長さに沿ってプローブをゆっくりと着実にスライドさせます。
- 甲状腺の形態を視覚化した一連の横方向 B モード画像を 33 Hz のフレームレートで取得します。
- 同時に、カラードップラーを適用して、腺と血管の血流を検出します。上甲状腺極から下甲状腺極までスキャンして、甲状腺全体をカバーします。結果として得られる動的イメージングシーケンスは、2つの4Dデータセットを形成する連続した横スライスから構成されます。
- 4D B-mode超音波データの読み込みと閲覧
- すべてのDICOMデータをカスタマイズされた作業ディレクトリにコピーします。
注: 作業ディレクトリは、オペレーティング システムと MATLAB の両方で同じです。各行を入力した後に Enter キーを押して、MATLAB でコマンドを実行します。 - 関数 dicomread を使用して B モードの US データ ファイルを MATLAB にインポートし、関数 size を使用してデータの次元を表示します。
- コンピューターで MATLAB を開きます。
- コマンド ウィンドウで、次のように入力します。
VB0 = dicomread('fname.dcm');
ここで、「fname.dcm」はDICOMデータの実際のファイル名に置き換えることができます。これにより、DICOMファイルが読み込まれ、画像データが変数VB0に格納されます。 - 読み込まれたデータのサイズを表示するには、次のように入力します。
サイズ(VB0)、
注: ここでインポートされた4Dデータの寸法は、768ピクセル x 1024ピクセル x 3 x 601レイヤーです。768 ピクセル x 1024 ピクセル x 3 は標準の RGB 画像に対応し、各ピクセルは 24 ビット深度の 3 つのチャネルで表されます。601 レイヤーは、スキャンされたスライスの合計数を示します。
- 関数 US_B_Show を呼び出して、4D 行列データを連続グレースケールビデオシーケンスに変換し、詳細な検査のために連続的に再生します (図 1 を参照)。
- ステップ 1.4.2.2 でインポートした DICOM ファイルの関数 dicomread を使用してインポートしたこの 4D 超音波データ行列 VB0 を連続再生グレースケール ビデオ シーケンスに変換するには、MATLAB コマンド ウィンドウで次のコマンドを入力して関数 US_B_Show を呼び出します。
US_B_Show(VB0)
ここで、VB0 は、以前にインポートされた超音波データを含む 4D 行列変数です。
- ステップ 1.4.2.2 でインポートした DICOM ファイルの関数 dicomread を使用してインポートしたこの 4D 超音波データ行列 VB0 を連続再生グレースケール ビデオ シーケンスに変換するには、MATLAB コマンド ウィンドウで次のコマンドを入力して関数 US_B_Show を呼び出します。
- 図1のGUIには、一時停止、早送り、巻き戻しなどの再生ボタンがあります。
- 再生ボタンを押すと、フレームシーケンスの連続ビデオ再生が開始されます。一時停止および再生コントロールツールアイコンを使用して、任意のフレームを柔軟にナビゲートできます。ズームイン/ズームアウトボタンを使用して、再生中に画像を動的に拡大または縮小し、デフォルトのズームボタンを使用して元の1xビューにリセットします。
- [ピクセル値の検査] ボタンをクリックし、領域の上にマウスを移動すると、局所的な解析のためにピクセル座標と強度で十字線がオーバーレイされます。
注:これらのインタラクティブなコントロールにより、空間と時間の両方にわたる超音波データ特性の柔軟な検査が可能になります。
- すべてのDICOMデータをカスタマイズされた作業ディレクトリにコピーします。
- 4Dカラードップラー超音波データの読み込みと閲覧
- 関数 dicomread を使用してカラー ドップラー超音波データ ファイルを MATLAB にインポートし、関数 size を使用してデータの次元を表示します。
注: ここでインポートされた4Dデータの寸法は、768ピクセル x 1024ピクセル x 3 x 331レイヤーです。768 ピクセル x 1024 ピクセル x 3 は標準の RGB 画像に対応し、赤と青は異なる方向の血流を表します。331 のレイヤーは、スキャンされたスライスの合計数を示します。 - US_C_Show機能を使用して、4Dマトリックスデータを連続カラービデオシーケンスに変換し、詳細な検証のために連続的に再生します(図2を参照)。
メモ: 図 2 の GUI には、 図 1 の手順 1.4.4 で説明したのと同じ対話式コントロールと操作があります。
- 関数 dicomread を使用してカラー ドップラー超音波データ ファイルを MATLAB にインポートし、関数 size を使用してデータの次元を表示します。
2. Bモード超音波とカラードップラー超音波の同期観察
注意: 図1 に示す4D B-Mode超音波データと 図2 に示す4D カラードップラー超音波データには、時間軸に沿った4次元に同じ絶対タイムスタンプが含まれています。このフィールドは、DICOM メタデータに FrameTimeVector として記録されます。このフィールドの時間値に基づいて、 図 1 と 図 2 をリアルタイムで同期させることができます。
- dicomread コマンドを使用して 2 つの 4D ファイルを読み込んだ後、2 つの 4D 行列を入力として関数 Synchronize_B_C を実行します。
メモ: 図3 は、連続して再生できるビデオを示しています。違いは、4D B-Mode 超音波データと 4D カラードップラー超音波データが同じビデオフレーム内でリアルタイムに同期されることです。 図 3 の GUI には、 図 1 の手順 1.4.4 で説明したのと同じ対話式コントロールと操作のセットがあります。
3. 甲状腺の同期三面再建術
注:病変のより正確な局在化と定量化を可能にするために、この研究では、取得した4D超音波データから甲状腺の三面再構成をリアルタイムの対話性で実行しました。これにより、臨床医は病変を迅速かつ正確に特定し、その後の患部の定量化のための強固な基盤を築くことができます。
- 図 1 の 4D B モード超音波データを入力として関数 thyroid_triplanar を呼び出し、図 4 に示すように 3 つの直交平面 (冠状面、矢状面、軸面) を導出します。
- 図4の十字線相互作用により、甲状腺のさまざまな部分をリアルタイムで検査できます。十字線の中心をクリックしてドラッグし、超音波から再構築された甲状腺の解剖学的構造の任意の3D検査を行います。
注: 図 4 の GUI では、三面図のグレースケールの強度範囲、コントラスト、および明るさを調整することもできます。 - 画像の任意の領域上で マウスの左ボタンを押して ドラッグすると、 明るさ と コントラスト のレベルをリアルタイムで変更できます。マウスボタンを離して、調整を確定して確定します。
4. 3D血流場の同期三面再構成
注:4Dカラードップラー超音波データに基づいて3D血流場の同期三面図を再構築することも、橋本甲状腺炎(HT)を特徴付けるために臨床的に重要です。
- 図 2 の 4D C モード超音波データを入力として関数 thyroid_3D_blood を呼び出し、図 5 に示すように 3 つの直交平面 (冠状面、矢状面、軸面) を導出します。
- 図5の十字線相互作用により、甲状腺のさまざまな部分をリアルタイムで検査できます。十字線の中心をクリックしてドラッグし、超音波から再構築された甲状腺の解剖学的構造の任意の3D検査を行います。
注: 図 5 の GUI では、三面図のグレースケールの強度範囲、コントラスト、および明るさを調整することもできます。 - 画像の任意の領域上で マウスの左ボタンを押して ドラッグすると、 明るさ と コントラスト のレベルをリアルタイムで変更できます。マウスボタンを離して、調整を確定して確定します。
5. Bモード三面図とカラードップラー三面図の同期
注: 図4に示す三面図に基づいて、対応するカラードップラーフロー画像を病変部位に同期させることで、橋本甲状腺炎(HT)の病理学的進行の診断と定量化が間違いなく容易になります。
- 図 4 の十字線の相互作用をドラッグして関心領域を特定し、US_B2Cを実行してカラー ドップラー三面図で対応する位置を取得します。
- 図 5 の十字線の相互作用をドラッグして関心領域を特定し、US_C2Bを実行して B モードの三面図で対応する位置を取得します。
注: 図6 は、橋本甲状腺炎(HT)病変の正確な位置特定と確定診断のための強固な超音波検査の基礎を築きます。
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Representative Results
図1および図2のグラフィカル・ユーザー・インターフェース(GUI)に示すように、超音波スキャン・シーケンスを連続的に確認することができる。しかし、この2次元検査は、甲状腺科医の解剖学的知識に大きく依存して病変の位置を精神的に再構築するため、初心者にとっては困難であり、定量的な一貫性に欠けます。図3は、Bモードグレースケールとカラードップラーフロー画像を融合し、2Dスキャンでより多くの情報に基づいた検査を可能にします。
甲状腺疾患の包括的で信頼性の高い評価を容易にするために、 図4 はBモード強度の3D空間分布を示し、 図5 はカラードップラーデータから再構築された3D血管マップを示しています。GUI(図6)に示すように、直交する3つの平面に沿った構造情報と機能情報を同期して可視化します。臨床医は、甲状腺のグレースケール画像とそれに対応する血流画像の多面断面を連続的に検査することができます。この補完的なモダリティのシームレスな統合は、甲状腺病変の重症度を正確に特定および決定する上で極めて重要な役割を果たす可能性があります。
3Dグレースケールボリュームと3Dカラードップラーボリュームが本質的に空間的次元と病理学的次元にまたがる4Dデータである場合、2つの同期された三次元可視化間でそれらの相互作用をリンクさせることで、甲状腺科医は統一された5D空間で病変を迅速に特定し、関節の強度と流れパターンに基づいて正確な診断を提供することができます。
図1:横方向のBモード超音波ビデオループ。 連続横断スキャンによって取得された連続したBモードフレームは、甲状腺の形態を示しています。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図2:横カラードップラー超音波ビデオループ。 横走査によって得られた連続したカラードップラーフレームは、甲状腺組織の血流特性を明らかにします。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図3:Bモードとドップラー超音波の同期 。甲状腺構造(グレースケール)と血流(カラーオーバーレイ)を同期して示す統合ビデオ。カラードップラーオーバーレイは、カラースケールを使用して流れの方向と速度を表し、赤はトランスデューサに向かう流れを示します。青はトランスデューサから離れる流れを示します。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図4:Bモード超音波から抽出された三面図。 直交する冠状面、矢状面、軸面を、三面的な可視化を使用して4D Bモードスキャンから再構築しました。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図5:ドップラー超音波から抽出された三面図。 4Dドップラースキャンから再構築された直交する冠状面、矢状面、軸面を、甲状腺組織の血流特性をマッピングします。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
図6:構造データと血管性データを融合した同期三面図。 Bモードとドップラーデータを同期させた多面再構成により、形態学的検査と機能検査の組み合わせが可能。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
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Discussion
プロトコルの重要なステップ
図1と図2は検査と診断に価値がありますが、他の視点から病変の位置とビューを決定するには専門家の経験が必要です。橋本甲状腺炎(HT)の診断には、図1と図2をリアルタイムで同期させることも重要かつ重要なステップです。プロトコルステップ3.3は、図4に示すように、主治医が3D甲状腺の解剖学的構造の任意の断面をインタラクティブに検査できる重要なステップの1つです。これは、病変の位置を特定し、異常な組織領域を特定するために重要です。従来、ハンドヘルド超音波スキャンでは、2Dの横方向の画像しか提供されていませんでした。これは、盲点による3D病理学的詳細の見落としに避けられません。同様に、プロトコルステップ4.3では、病変部位を特定するためにも重要な3D血流マップを生成します。プロトコルステップ5.1および5.2は、構造的および機能的な甲状腺画像を同期させ、複雑な状態を管理するためのより強力なデジタルインテリジェントツールを臨床医に提供します。
変更とトラブルシューティング
再構成アーチファクトが発生すると、取得スイープ範囲が不十分である可能性があります。カバレッジを拡大してスキャンを繰り返すことで、これを克服できます。スライス間隔やピクセルサイズなどのパラメータも調整できます。
この方法の制限
ハンドヘルド超音波スキャンは、さまざまなモードを同期するためのタイムスタンプを取得できますが、リアルタイムの3Dプローブ位置推定が不足しています。したがって、甲状腺モデルでは横方向の寸法のみが正確に再構築されます。現在、横面での定量的測定は正確ですが、冠状および矢状面の図は病理学的局在化に役立ちますが、現在のところ定量的尺度は信頼性に欠けます。
既存の手法に対する意義
この5D超音波技術は、パノラマの視覚化された空間で血流マッピングと組み合わせた多面構造検査を可能にすることで、従来の2Dスキャンを強化します。オペレーターへの依存性、盲点、診断の曖昧さなど、2D超音波検査に残る限界を克服します。提案されたワークフローは、甲状腺疾患の超音波診断のための現在の経験に依存する慣行を標準化および変革するための堅牢な基盤を築きます。
推奨アプリケーション例
この方法は、甲状腺結節、腫瘍、橋本甲状腺炎などの炎症性病変を正確に特定および定量化するために適用できます。放射線科医や外科医に、病理を評価するための強化された視覚的視点を提供します。この技術は、診断、治療計画、および外科的指導に役立つ大きな可能性を秘めています。さらに、研究チームは、この5D分析パイプラインに生化学マーカーを組み込み、AIを活用した甲状腺疾患の精密診断と定量化を実現する予定です。
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Disclosures
甲状腺疾患の精密定量化のためのソフトウェアツールは、本研究の 材料表 に甲状腺疾患精密定量化V1.0として記載されており、Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co., Ltd.の製品である。本ソフトウェアツールの知的財産権は当社に帰属します。著者は、宣言すべき利益相反を持っていません。
Acknowledgments
この出版物は、陝西省重点研究開発計画:2023-ZDLSF-56および陝西省「科学者+エンジニア」チーム建設:2022KXJ-019の支援を受けました。
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 |
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