Synkron triplanar rekonstruktion integreret med Color Doppler Mapping for præcis og hurtig lokalisering af skjoldbruskkirtellæsioner

Summary

Her præsenterer vi en 5D ultralydsteknik, der kombinerer multiplan 3D-rekonstruktion og farve Doppler-fusion, som muliggør synkron visualisering af skjoldbruskkirtlens strukturelle og funktionelle information. Ved at minimere blinde pletter muliggør denne metode hurtig, præcis lokalisering af læsioner for at forbedre diagnostisk nøjagtighed, især til gavn for nybegyndere.

Abstract

Dette papir foreslår en ny skjoldbruskkirtelundersøgelsesteknik baseret på femdimensionel (5D) synkron rekonstruktion af ultralydsdata. De rå tidsmæssige sekvenser rekonstrueres til 3D-volumetriske data, der afspejler anatomisk struktur. Triplanar visualisering fra tre ortogonale planer realiseres for at give en systematisk inspektion af hele kirtlen. Color Doppler-billeddannelse er integreret i hver triplanar skive for at kortlægge ændringer i vaskulariteten. Denne multimodale fusion muliggør synkron visning af strukturel, funktionel og blodgennemstrømningsinformation i det rekonstruerede 5D-rum. Sammenlignet med konventionel scanning tilbyder denne teknik fordelene ved fleksibel offlinediagnose, reduceret afhængighed af scanning, forbedret intuitiv fortolkning og omfattende evaluering af flere aspekter. Ved at minimere tilsynsfejl kan det forbedre diagnostisk nøjagtighed, især for nybegyndere. Den foreslåede 5D-fusionsmetode muliggør hurtig og præcis lokalisering af læsioner til tidlig påvisning. Fremtidigt arbejde vil undersøge integration med biokemiske markører for yderligere at forbedre diagnostisk præcision. Teknikken har betydelig klinisk værdi for at fremme skjoldbruskkirtelundersøgelse.

Introduction

Hashimotos thyroiditis (HT), den hyppigste autoimmune skjoldbruskkirtelforstyrrelse (AITD), er den førende årsag til hypothyroidisme i jod-tilstrækkelige områder af verden¹. Det er karakteriseret ved lymfocytisk infiltration og autoantistoffer mod skjoldbruskkirtelantigener, hvilket fører til ødelæggelse af skjoldbruskkirtelarkitektur og hypothyroidisme². Iscenesættelse af HT har til formål at vurdere sværhedsgraden og vejlede behandlingsbeslutninger. Det er afhængig af en kombination af biokemiske markører såsom skjoldbruskkirtelstimulerende hormon (TSH) og skjoldbruskkirtelautoantistoffer³ samt ultrasonografiske træk, der er synlige på skjoldbruskkirtlen ultralyd ^4,5,6.

Ved ultralydsundersøgelse viser HT karakteristiske fund, herunder diffust nedsat ekkogenicitet, heterogen ekkotekstur, mikronodularitet og øget blodgennemstrømning på farve Doppler ^6,7. Imidlertid mangler konventionel todimensionel (2D) gråtoneultralyd kvantitative metoder til systematisk analyse af disse funktioner til HT-iscenesættelse⁸. Vurderingen af vaskularitetsændringer er også begrænset til kvalitativ visuel inspektion i 2D-tilstand. Den komplekse tredimensionelle (3D) arkitektur af skjoldbruskkirtlen hæmmer yderligere grundig evaluering ved hjælp af konventionel 2D-udskæring ^9,10. Disse faktorer fører til billeddannelse af blinde vinkler og fejlfortolkning, hvilket resulterer i lav følsomhed og specificitet, især for mindre erfarne praktiserende læger^11,12.

Konventionel håndholdt ultralydsscanning integrerer erhvervelse og diagnose i realtid. Denne koblede arbejdsprocesafhængighed øger sandsynligheden for overvågningsfejl under scanning. Manglen på rumlig lokalisering og sporing gør også læsionsidentifikation og overvågning upræcis^12,13. Dedikerede 3D-ultralydssystemer er opstået for at løse disse begrænsninger og har vist lovende resultater^14,15. Imidlertid kræver de fleste 3D-ultralydsteknologier komplekse mekaniske scanningsmekanismer og specialiserede transducere, hvilket fører til høje omkostninger og barrierer for vedtagelse.

For at overvinde begrænsningerne ved konventionelle 2D- og 3D-ultralydsteknikker foreslår denne undersøgelse en ny 3D-rekonstruktions- og visualiseringsløsning, der er skræddersyet til skjoldbruskkirtelundersøgelse. Ved hjælp af bredt tilgængelig håndholdt ultralyd erhverves først flere 2D-fejninger for at scanne hele skjoldbruskkirtlen. 3D volumetrisk rekonstruktion realiseres derefter ved rumlig registrering og fusion af 2D-sekvenserne. Samtidig registreres Doppler-farverammer sammen for at oprette vaskularitetskort, der visualiserer ændringer i blodgennemstrømningen. De rekonstruerede 3D-gråtonevolumener og farvede vaskularitetskort er endelig integreret i en enkelt platform, hvilket muliggør synkroniseret multiplanar visualisering og kombineret strukturel funktionel inspektion.

Denne foreslåede 3D-fusionsteknik giver en systematisk og omfattende evaluering af den komplekse skjoldbruskkirtelmorfologi fra forskellige aspekter. Ved at minimere blinde vinkler og muliggøre globalt overblik kan det hjælpe med at forbedre diagnostisk nøjagtighed og reducere tilsynsfejl, især til gavn for nybegyndere. Den multimodale visualisering letter også hurtig og præcis lokalisering af læsioner og holder løfte om tidlig diagnose og behandling af skjoldbruskkirtelknuder og tumorer. Desuden introducerer metoden kvantitativ 3D-funktionsanalyse, som ikke tidligere er undersøgt for HT-iscenesættelse. Med bred vedtagelse har det potentialet til at standardisere og objektivere de aktuelt erfaringsafhængige ultralyddiagnoseprocedurer. Ved synergistisk at integrere håndholdt 3D-rekonstruktion, multimodal fusion, kvantitativ funktionsanalyse og fleksibel visualisering i en strømlinet arbejdsgang repræsenterer denne billige, brugervenlige teknik et diagnostisk kraftfuldt spring fra konventionel 2D-ultralyd til fremme af skjoldbruskkirtelundersøgelse.

Protocol

Denne undersøgelse blev godkendt af Institutional Review Board of Sunsimiao Hospital tilknyttet Beijing University of Chinese Medicine. Patienten blev rekrutteret fra Department of Thyroid, Sunsimiao Hospital. Patienten gennemgik en ultralydsundersøgelse af skjoldbruskkirtlen og gav informeret samtykke til undersøgelsen. I denne undersøgelse blev 4D-ultralydsdata erhvervet ved hjælp af en håndholdt enhed brugt til at rekonstruere triplanære visninger af skjoldbruskkirtlen. Desuden blev der opnået synkron Doppler-billeddannelse i realtid. De softwareværktøjer, der anvendes i denne forskning, er anført i materialetabellen.

1. Dataindsamling og -forberedelse

1. Brug en bærbar håndholdt ultralydsenhed til at placere den lineære array-transducer på tværs på patientens hals for at afbilde skjoldbruskkirtlen i tværsnitsplanet. Skub sonden langsomt og støt langs skjoldbruskkirtlens længde, samtidig med at sondekontakt og orientering opretholdes.
2. Få en sekvens af tværgående B-mode billeder, der visualiserer skjoldbruskkirtelmorfologi med en billedhastighed på 33 Hz.
3. Samtidig skal du anvende farve Doppler til at detektere blodgennemstrømning i kirtlen og karrene. Scan fra de overlegne til ringere skjoldbruskkirtelpoler for at dække hele kirtlen. Den resulterende dynamiske billedsekvens består af på hinanden følgende tværgående skiver, der danner to 4D-datasæt.
4. Indlæsning og gennemsyn af 4D B-mode ultralydsdata
   1. Kopier alle DICOM-data til en tilpasset arbejdsmappe.
      BEMÆRK: Arbejdsmappen er den samme i både operativsystemet og MATLAB. Tryk på Enter efter at have skrevet hver linje for at køre kommandoen i MATLAB.
   2. Importer den amerikanske B-tilstandsdatafil til MATLAB ved hjælp af dicomread-funktionen , og brug størrelsesfunktionen til at se dimensionerne på dataene.
      1. Åbn MATLAB på computeren.
      2. I vinduet Kommando skal du skrive:
         VB0 = dicomread('fname.dcm');
         Hvor 'fname.dcm' kunne erstattes med det faktiske filnavn på DICOM-dataene. Dette læses i DICOM-filen og gemmer billeddataene i variablen VB0.
      3. Hvis du vil se størrelsen på de indlæste data, skal du skrive:
         størrelse(VB0),
         BEMÆRK: De 4D-data, der blev importeret her, havde dimensioner på 768 pixel x 1024 pixels x 3 x 601 lag. De 768 pixels x 1024 pixels x 3 svarer til et standard RGB-billede, hvor hver pixel er repræsenteret af tre kanaler med 24-bit dybde. De 601 lag angiver det samlede antal scannede udsnit.
   3. Kald US_B_Show-funktionen for at konvertere 4D-matrixdataene til en kontinuerlig gråtonevideosekvens, der skal afspilles kontinuerligt til detaljeret undersøgelse (se figur 1).
      1. For at konvertere denne 4D-ultralydsdatamatrix VB0, der blev importeret i trin 1.4.2.2 ved hjælp af dicomread-funktionen på DICOM-filerne, til en kontinuerligt afspillende gråtonevideosekvens, skal du kalde US_B_Show funktionen ved at skrive følgende kommando i vinduet MATLAB-kommando:
         US_B_Show(VB0)
         Hvor VB0 er 4D-matrixvariablen, der indeholder ultralydsdata importeret tidligere.
   4. GUI'en i figur 1 viser afspilningsknapper til pause, frem, tilbagespoling osv.
      1. Tryk på afspilningsknappen for at starte kontinuerlig videoafspilning af billedsekvensen. Brug værktøjsikonerne for pause- og afspilningsværktøjet til fleksibel navigation i ethvert billede. Brug zoom ind/ud-knapperne til dynamisk at forstørre eller minimere billederne under afspilning og standardzoomknappen til at nulstille til den oprindelige 1x-visning.
      2. Klik på knappen Undersøg pixelværdier , og flyt musen over et område for at overlejre trådkors med pixelkoordinater og intensiteter til lokaliseret analyse.
         BEMÆRK: Disse interaktive kontroller muliggør fleksibel inspektion af ultralydsdataegenskaber på tværs af både rum og tid.
5. Indlæsning og gennemsyn af 4D farve Doppler ultralydsdata
   1. Importer Doppler-ultralydsdatafilen til MATLAB ved hjælp af dicomread-funktionen , og brug størrelsesfunktionen til at se dimensionerne af dataene.
      BEMÆRK: De 4D-data, der blev importeret her, havde dimensioner på 768 pixel x 1024 pixel x 3 x 331 lag. De 768 pixels x 1024 pixels x 3 svarer til et standard RGB-billede, hvor rød og blå repræsenterer blodgennemstrømningen i forskellige retninger. De 331 lag angiver det samlede antal scannede udsnit.
   2. Brug funktionen US_C_Show til at konvertere 4D-matrixdataene til en kontinuerlig farvevideosekvens, der skal afspilles kontinuerligt til detaljeret undersøgelse (se figur 2).
      BEMÆRK: GUI'en i figur 2 har det samme sæt interaktive kontrolelementer og handlinger som beskrevet tidligere i trin 1.4.4 for figur 1.

2. Synkron observation af B-tilstand og farve Doppler ultralyd

BEMÆRK: 4D B-Mode ultralydsdata vist i figur 1 og 4D Color Doppler ultralydsdata vist i figur 2 indeholder de samme absolutte tidsstempler i den fjerde dimension langs den tidsmæssige akse. Dette felt registreres i DICOM-metadataene som FrameTimeVector. Baseret på tidsværdierne i dette felt kan figur 1 og figur 2 synkroniseres i realtid.

1. Når du har læst de to 4D-filer ved hjælp af kommandoen dicomread , skal du udføre Synchronize_B_C-funktionen med de to 4D-matricer som input.
   BEMÆRK: Figur 3 viser den resulterende video, der stadig kan afspilles kontinuerligt. Forskellen er nu, at 4D B-Mode ultralydsdata og 4D Color Doppler ultralydsdata synkroniseres i realtid inden for de samme videorammer. GUI'en i figur 3 har det samme sæt interaktive kontroller og handlinger som beskrevet tidligere i trin 1.4.4 for figur 1.

3. Synkron triplan rekonstruktion for skjoldbruskkirtlen

BEMÆRK: For at muliggøre mere præcis lokalisering og kvantificering af læsioner udførte denne undersøgelse triplanar rekonstruktion af skjoldbruskkirtlen fra de erhvervede 4D-ultralydsdata med interaktivitet i realtid. Dette gør det muligt for klinikere hurtigt og præcist at lokalisere læsioner, hvilket lægger et solidt fundament for efterfølgende kvantificering af de berørte regioner.

1. Kald thyroid_triplanar-funktionen med 4D B-mode ultralydsdata fra figur 1 som input for at udlede de tre ortogonale planer (koronal, sagittal og aksial) som vist i figur 4.
2. Trådkorsinteraktionen i figur 4 muliggør realtidsinspektion af forskellige dele af skjoldbruskkirtlen. Klik og træk i midten af trådkorset for en vilkårlig 3D-undersøgelse af skjoldbruskkirtlens anatomi rekonstrueret fra ultralyd.
   BEMÆRK: GUI'en i figur 4 muliggør også justering af gråtoneintensitetsområdet, kontrasten og lysstyrken i de triplanære visninger.
3. Tryk og træk venstre museknap over et hvilket som helst område af billederne for realtidsændring af lysstyrke og kontrastniveauer . Slip museknappen for at bekræfte og afslutte justeringerne.

4. Synkron triplanar rekonstruktion til 3D-blodgennemstrømningsfelt

BEMÆRK: Rekonstruktion af de synkrone triplanære visninger for 3D-blodgennemstrømningsfeltet baseret på 4D-farve Doppler ultralydsdata er også klinisk vigtigt for at karakterisere Hashimotos thyroiditis (HT).

1. Kald thyroid_3D_blood-funktionen med 4D C-mode ultralydsdata fra figur 2 som input for at udlede de tre ortogonale planer (koronal, sagittal og aksial) som vist i figur 5.
2. Trådkorsinteraktionen i figur 5 muliggør realtidsinspektion af forskellige dele af skjoldbruskkirtlen. Klik og træk i midten af trådkorset for en vilkårlig 3D-undersøgelse af skjoldbruskkirtlens anatomi rekonstrueret fra ultralyd.
   BEMÆRK: GUI'en i figur 5 muliggør også justering af gråtoneintensitetsområdet, kontrasten og lysstyrken i de triplanære visninger.
3. Tryk og træk venstre museknap over et hvilket som helst område af billederne for realtidsændring af lysstyrke og kontrastniveauer . Slip museknappen for at bekræfte og afslutte justeringerne.

5. Synkronisering af B-mode triplanar visninger og farve Doppler triplanar visninger

BEMÆRK: Baseret på de triplanære visninger vist i figur 4 ville synkronisering af de tilsvarende Doppler-flowbilleder til læsionsstederne utvivlsomt lette diagnosen og kvantificeringen af den patologiske progression i Hashimotos thyroiditis (HT).

1. Træk trådkorsinteraktionen i figur 4 for at finde det interesseområde, og udfør US_B2C for at få den tilsvarende placering i Doppler-triplanarvisningerne.
2. Træk trådkorsinteraktionen i figur 5 for at finde det relevante område, og udfør US_C2B for at få den tilsvarende placering i triplanarvisningerne i B-tilstand.
   BEMÆRK: Figur 6 lægger et solidt ultrasonografisk fundament for præcis lokalisering og endelig diagnose af Hashimotos thyroiditis (HT) læsioner.

Representative Results

Som vist i den grafiske brugergrænseflade (GUI) i figur 1 og figur 2 kan ultralydsscanningssekvensen kontrolleres løbende. Denne todimensionelle undersøgelse er imidlertid stærkt afhængig af thyroidologens anatomiske viden til mentalt at rekonstruere læsionens placering, hvilket er udfordrende for nybegyndere og resulterer i mangel på kvantitativ konsistens. Figur 3 sammensmelter gråtonerne i B-tilstand med Doppler-farveflowbilleder for at muliggøre mere informeret inspektion af 2D-scanningerne.

For at lette en omfattende og pålidelig vurdering af skjoldbruskkirtelforstyrrelser viser figur 4 den 3D-rumlige fordeling af B-tilstandsintensiteter, mens figur 5 viser 3D-vaskularitetskortet rekonstrueret ud fra farve-Doppler-data. Som illustreret i GUI (figur 6) realiseres synkroniseret visualisering af den strukturelle og funktionelle information langs tre ortogonale planer. Klinikere kan løbende inspicere de multiplanar tværsnit af skjoldbruskkirtlen gråtoner billeder og de tilsvarende blodgennemstrømning billeder. Denne sømløse integration af komplementære modaliteter kan spille en afgørende rolle i præcis lokalisering og bestemmelse af sværhedsgraden af skjoldbruskkirtelpatologier.

Hvis 3D-gråtonevolumenerne og 3D-farve-Doppler-volumenerne i det væsentlige er 4D-data, der spænder over de rumlige og patologiske dimensioner, kan sammenkædning af deres interaktion på tværs af de to synkroniserede triplanære visualiseringer give thyroidologen mulighed for hurtigt at lokalisere læsioner i et samlet 5D-rum og levere nøjagtige diagnoser baseret på ledintensitet og strømningsmønstre.

Figur 1: Tværgående B-mode ultralyd videosløjfer. Fortløbende B-mode rammer erhvervet ved kontinuerlig tværgående scanning viser skjoldbruskkirtelmorfologi. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 2: Tværgående farve Doppler ultralyd video sløjfer. Fortløbende farve Doppler-rammer opnået ved tværgående scanning afslører blodgennemstrømningsegenskaber i skjoldbruskkirtelvævet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 3: Synkroniseret B-tilstand og Doppler ultralyd. Integreret video, der synkront udviser skjoldbruskkirtelstruktur (gråtoner) og blodgennemstrømning (farvet overlay). Farven Doppler-overlay viser strømningsretningen og hastigheden ved hjælp af en farveskala-rød angiver strømning mod transduceren; Blå angiver flow væk fra transduceren. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 4: Triplanære visninger ekstraheret fra B-mode ultralyd. Ortogonale koronale, sagittale og aksiale planer rekonstrueret fra 4D B-mode scanninger ved hjælp af triplanar visualisering. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 5: Triplanar visninger ekstraheret fra Doppler ultralyd. Ortogonale koronale, sagittale og aksiale planer rekonstrueret fra 4D Doppler-scanninger for at kortlægge blodgennemstrømningskarakteristika for skjoldbruskkirtelvævet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 6: Synkroniserede triplanære visninger, der sammensmelter strukturelle og vaskulære data. Smeltet multiplanar rekonstruktion, der synkroniserer B-mode og Doppler-data for at muliggøre kombineret morfologisk og funktionel inspektion. Klik her for at se en større version af denne figur.

Discussion

Kritiske trin i protokollen
Mens figur 1 og figur 2 har værdi for inspektion og diagnose, kræver bestemmelse af læsionsplacering og synspunkter fra andre perspektiver eksperterfaring. Til diagnosticering af Hashimotos thyroiditis (HT) er synkronisering af figur 1 og figur 2 i realtid også et vigtigt og kritisk skridt. Protokol trin 3.3 er et af de vigtigste trin, hvor, som vist i figur 4, den behandlende læge interaktivt kan undersøge vilkårlige tværsnit af 3D skjoldbruskkirtlen anatomi. Dette er afgørende for lokalisering af læsioner og identifikation af unormale vævsområder. Traditionelt giver håndholdt ultralydsscanning kun 2D tværgående visninger. Dette fører uundgåeligt til tilsyn med 3D-patologiske detaljer på grund af blinde pletter. På samme måde genererer protokoltrin 4.3 3D-blodgennemstrømningskortet, hvilket også er afgørende for at lokalisere læsionssteder. Protokoltrin 5.1 og 5.2 synkroniserer de strukturelle og funktionelle skjoldbruskkirtelbilleder og udstyrer klinikere med mere kraftfulde digitale intelligente værktøjer til styring af komplekse tilstande.

Ændringer og fejlfinding
Hvis der forekommer rekonstruktionsartefakter, kan omfanget af anskaffelsesaktioner være utilstrækkeligt. Gentagen scanning med udvidet dækning kan overvinde dette. Parametre som udsnitsafstand og pixelstørrelse kan også justeres.

Begrænsninger af metoden
Selvom håndholdt ultralydsscanning kan få tidsstempler til synkronisering af forskellige tilstande, mangler den 3D-sondelokalisering i realtid. Derfor er kun de tværgående dimensioner præcist rekonstrueret i skjoldbruskkirtelmodellerne. Kvantitative målinger på tværgående planer er i øjeblikket nøjagtige, mens koronale og sagittale synspunkter hjælper patologisk lokalisering, men har upålidelige kvantitative skalaer på nuværende tidspunkt.

Betydning i forhold til eksisterende metoder
Denne 5D-ultralydsteknik forbedrer konventionel 2D-scanning ved at muliggøre multiplan strukturel undersøgelse kombineret med kortlægning af blodgennemstrømning i et panoramisk visualiseret rum. Det overvinder begrænsninger som operatørafhængighed, blinde pletter og diagnostisk tvetydighed, der vedvarer i 2D ultralyd. Den foreslåede arbejdsgang lægger et robust fundament for at standardisere og transformere den nuværende oplevelsesafhængige praksis for ultralyddiagnose af skjoldbruskkirtelsygdomme.

Potentielle anvendelser
Denne metode kan anvendes til præcist at lokalisere og kvantificere skjoldbruskkirtelknuder, tumorer og inflammatoriske læsioner såsom Hashimotos thyroiditis. Det giver radiologer og kirurger forbedrede visuelle perspektiver til evaluering af patologi. Teknikken har et betydeligt potentiale til at hjælpe diagnose, behandlingsplanlægning og kirurgisk vejledning. Derudover planlægger undersøgelsesteamet at inkorporere biokemiske markører med denne 5D-analysepipeline for at realisere AI-bemyndiget præcisionsdiagnose og kvantificering for skjoldbruskkirtelsygdomme.

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