Summary
Qui presentiamo una tecnica ecografica 5D che combina la ricostruzione 3D multiplanare e la fusione color Doppler, che consente la visualizzazione sincrona delle informazioni strutturali e funzionali della tiroide. Riducendo al minimo i punti ciechi, questo metodo consente una localizzazione rapida e precisa delle lesioni per migliorare l'accuratezza diagnostica, a vantaggio soprattutto dei professionisti alle prime armi.
Abstract
Questo articolo propone una nuova tecnica di esame della tiroide basata sulla ricostruzione sincrona a cinque dimensioni (5D) dei dati ecografici. Le sequenze temporali grezze vengono ricostruite in dati volumetrici 3D che riflettono la struttura anatomica. La visualizzazione triplanare da tre piani ortogonali è realizzata per fornire un'ispezione sistematica dell'intera ghiandola. L'imaging Color Doppler è integrato in ogni sezione triplanare per mappare i cambiamenti della vascolarizzazione. Questa fusione multimodale consente la visualizzazione sincrona delle informazioni strutturali, funzionali e del flusso sanguigno nello spazio 5D ricostruito. Rispetto alla scansione convenzionale, questa tecnica offre i vantaggi di una diagnosi offline flessibile, di una minore dipendenza dalla scansione, di una migliore interpretazione intuitiva e di una valutazione completa su più aspetti. Riducendo al minimo gli errori di supervisione, potrebbe migliorare l'accuratezza diagnostica, soprattutto per i medici alle prime armi. Il metodo di fusione 5D proposto consente una localizzazione rapida e precisa delle lesioni per la diagnosi precoce. Il lavoro futuro esplorerà l'integrazione con i marcatori biochimici per migliorare ulteriormente la precisione diagnostica. La tecnica ha un notevole valore clinico per l'avanzamento dell'esame della tiroide.
Introduction
La tiroidite di Hashimoto (HT), la più frequente malattia autoimmune della tiroide (AITD), è la principale causa di ipotiroidismo nelle aree del mondo con carenza di iodio1. È caratterizzata da infiltrazione linfocitaria e autoanticorpi contro gli antigeni tiroidei, che portano alla distruzione dell'architettura tiroidea e all'ipotiroidismo2. La stadiazione della HT ha lo scopo di valutare la gravità e guidare le decisioni terapeutiche. Si basa su una combinazione di marcatori biochimici come l'ormone stimolante la tiroide (TSH) e gli autoanticorpi tiroidei3, nonché sulle caratteristiche ecografiche visibili all'ecografia tiroidea 4,5,6.
All'esame ecografico, l'HT mostra segni caratteristici, tra cui un'ecogenicità diffusamente ridotta, un'ecostruttura eterogenea, una micronodularità e un aumento del flusso sanguigno al color Doppler 6,7. Tuttavia, l'ecografia convenzionale bidimensionale (2D) in scala di grigi manca di metodi quantitativi per analizzare sistematicamente queste caratteristiche per la stadiazione HT8. Anche la valutazione delle variazioni vascolarizzanti è limitata all'ispezione visiva qualitativa in modalità 2D. La complessa architettura tridimensionale (3D) della ghiandola tiroidea ostacola ulteriormente una valutazione approfondita utilizzando lo slicing 2D convenzionale 9,10. Questi fattori portano a punti ciechi di imaging e a interpretazioni errate, con conseguente bassa sensibilità e specificità, soprattutto per i professionisti meno esperti11,12.
La scansione a ultrasuoni portatile convenzionale integra l'acquisizione e la diagnosi in tempo reale. Questa dipendenza dal flusso di lavoro accoppiato aumenta la probabilità di errori di supervisione durante la scansione. La mancanza di localizzazione e tracciamento spaziale rende inoltre imprecisa l'identificazione e il monitoraggio delle lesioni12,13. Per affrontare queste limitazioni sono emersi sistemi ecografici 3D dedicati che hanno mostrato risultati promettenti 14,15. Tuttavia, la maggior parte delle tecnologie a ultrasuoni 3D richiede complessi meccanismi di scansione meccanica e trasduttori specializzati, con conseguenti costi elevati e ostacoli all'adozione.
Per superare i limiti delle tecniche ecografiche convenzionali 2D e 3D, questo studio propone una nuova soluzione di ricostruzione e visualizzazione 3D su misura per l'esame della tiroide. Utilizzando l'ecografia portatile ampiamente disponibile, vengono prima acquisite più scansioni 2D per scansionare l'intera ghiandola tiroidea. La ricostruzione volumetrica 3D viene quindi realizzata mediante registrazione spaziale e fusione delle sequenze 2D. Allo stesso tempo, i fotogrammi color Doppler sono coregistrati per creare mappe vascolarizzanti che visualizzano le variazioni del flusso sanguigno. I volumi 3D in scala di grigi ricostruiti e le mappe vascolari colorate sono finalmente integrati in un'unica piattaforma, consentendo la visualizzazione multiplanare sincronizzata e l'ispezione strutturale-funzionale combinata.
Questa tecnica di fusione 3D proposta fornisce una valutazione sistematica e completa della complessa morfologia tiroidea da diversi aspetti. Riducendo al minimo i punti ciechi e consentendo una visione d'insieme globale, potrebbe contribuire a migliorare l'accuratezza diagnostica e a ridurre gli errori di supervisione, a vantaggio soprattutto dei medici alle prime armi. La visualizzazione multimodale facilita anche la localizzazione rapida e precisa delle lesioni, promettente per la diagnosi precoce e il trattamento dei noduli tiroidei e dei tumori. Inoltre, il metodo introduce un'analisi quantitativa delle caratteristiche 3D che non è mai stata studiata prima per la stadiazione HT. Con un'ampia adozione, ha il potenziale per standardizzare e oggettivare le procedure di diagnosi ecografica attualmente dipendenti dall'esperienza. Integrando sinergicamente la ricostruzione 3D portatile, la fusione multimodale, l'analisi quantitativa delle caratteristiche e la visualizzazione flessibile in un flusso di lavoro semplificato, questa tecnica a basso costo e facile da usare rappresenta un potente salto diagnostico rispetto all'ecografia 2D convenzionale per far progredire l'esame della tiroide.
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Protocol
Questo studio è stato approvato dall'Institutional Review Board dell'Ospedale Sunsimiao affiliato all'Università di Medicina Cinese di Pechino. Il paziente è stato reclutato dal Dipartimento di Tiroide dell'Ospedale Sunsimiao. Il paziente è stato sottoposto a un esame ecografico della tiroide e ha dato il consenso informato allo studio. In questa indagine, i dati ecografici 4D acquisiti utilizzando un dispositivo portatile sono stati utilizzati per ricostruire le viste triplanari della ghiandola tiroidea. Inoltre, è stato ottenuto l'imaging Doppler a colori sincrono in tempo reale. Gli strumenti software utilizzati in questa ricerca sono elencati nella Tabella dei Materiali.
1. Raccolta e preparazione dei dati
- Utilizzando un dispositivo a ultrasuoni portatile portatile, posizionare il trasduttore lineare trasversalmente sul collo del paziente per visualizzare la tiroide nel piano della sezione trasversale. Far scorrere la sonda lentamente e costantemente lungo la lunghezza della tiroide mantenendo il contatto e l'orientamento della sonda.
- Acquisisci una sequenza di immagini trasversali B-mode visualizzando la morfologia della tiroide a un frame rate di 33 Hz.
- Allo stesso tempo, applica il color Doppler per rilevare il flusso sanguigno nella ghiandola e nei vasi. Eseguire la scansione dai poli tiroidei superiori a quelli inferiori per coprire l'intera ghiandola. La sequenza di imaging dinamico risultante comprende sezioni trasversali consecutive che formano due set di dati 4D.
- Caricamento e navigazione dei dati ecografici 4D B-mode
- Copiare tutti i dati DICOM in una directory di lavoro personalizzata.
NOTA: La directory di lavoro è la stessa sia nel sistema operativo che in MATLAB. Premere Invio dopo aver digitato ogni riga per eseguire il comando in MATLAB. - Importare il file di dati US B-mode in MATLAB utilizzando la funzione dicomread e utilizzare la funzione size per visualizzare le dimensioni dei dati.
- Aprire MATLAB sul computer.
- Nella finestra di comando , digitare:
VB0 = dicomread('fname.dcm');
Dove 'fname.dcm' potrebbe essere sostituito con il nome effettivo del file dei dati DICOM. Questo leggerà il file DICOM e memorizzerà i dati dell'immagine nella variabile VB0. - Per visualizzare le dimensioni dei dati caricati, digitare:
dimensione (VB0),
NOTA: I dati 4D importati qui avevano dimensioni di 768 pixel x 1024 pixel x 3 x 601 strati. I 768 pixel x 1024 pixel x 3 corrispondono a un'immagine RGB standard, in cui ogni pixel è rappresentato da tre canali con profondità di 24 bit. I 601 livelli indicano il numero totale di sezioni scansionate.
- Chiamare la funzione US_B_Show per convertire i dati della matrice 4D in una sequenza video continua in scala di grigi da riprodurre continuamente per un esame dettagliato (vedere la Figura 1).
- Per convertire questo data matrix ecografico 4D VB0 importato nel passaggio 1.4.2.2 utilizzando la funzione dicomread sui file DICOM in una sequenza video in scala di grigi a riproduzione continua, chiamare la funzione US_B_Show digitando il seguente comando nella finestra dei comandi di MATLAB:
US_B_Show(VB0)
Dove VB0 è la variabile della matrice 4D contenente i dati ecografici importati in precedenza.
- Per convertire questo data matrix ecografico 4D VB0 importato nel passaggio 1.4.2.2 utilizzando la funzione dicomread sui file DICOM in una sequenza video in scala di grigi a riproduzione continua, chiamare la funzione US_B_Show digitando il seguente comando nella finestra dei comandi di MATLAB:
- La GUI nella Figura 1 mostra i pulsanti di riproduzione per la pausa, l'avanzamento, il riavvolgimento, ecc.
- Premere il pulsante di riproduzione per avviare la riproduzione video continua della sequenza di fotogrammi. Utilizzate le icone degli strumenti di controllo della pausa e della riproduzione per una navigazione flessibile di qualsiasi fotogramma. Utilizzare i pulsanti di zoom avanti/indietro per ingrandire o minimizzare dinamicamente le immagini durante la riproduzione e il pulsante di zoom predefinito per ripristinare la visualizzazione originale 1x.
- Fare clic sul pulsante Ispeziona i valori dei pixel e spostare il mouse su una regione per sovrapporre il puntatore a croce con le coordinate e le intensità dei pixel per l'analisi localizzata.
NOTA: Questi controlli interattivi consentono un'ispezione flessibile delle caratteristiche dei dati ecografici sia nello spazio che nel tempo.
- Copiare tutti i dati DICOM in una directory di lavoro personalizzata.
- Caricamento e navigazione dei dati ecografici Color Doppler 4D
- Importare il file di dati ecografici color Doppler in MATLAB utilizzando la funzione dicomread e utilizzare la funzione di dimensione per visualizzare le dimensioni dei dati.
NOTA: I dati 4D importati qui avevano dimensioni di 768 pixel x 1024 pixel x 3 x 331 strati. I 768 pixel x 1024 pixel x 3 corrispondono a un'immagine RGB standard, con il rosso e il blu che rappresentano il flusso sanguigno in direzioni diverse. I 331 livelli indicano il numero totale di sezioni scansionate. - Utilizzare la funzione US_C_Show per convertire i dati della matrice 4D in una sequenza video continua a colori da riprodurre continuamente per un esame dettagliato (vedere la Figura 2).
NOTA: La GUI nella Figura 2 ha lo stesso set di controlli e operazioni interattivi descritti in precedenza nel passaggio 1.4.4 della Figura 1.
- Importare il file di dati ecografici color Doppler in MATLAB utilizzando la funzione dicomread e utilizzare la funzione di dimensione per visualizzare le dimensioni dei dati.
2. Osservazione sincrona dell'ecografia B-mode e color Doppler
NOTA: I dati ecografici 4D B-Mode mostrati nella Figura 1 e i dati ecografici 4D Color Doppler mostrati nella Figura 2 contengono gli stessi timestamp assoluti nella quarta dimensione lungo l'asse temporale. Questo campo viene registrato nei metadati DICOM come FrameTimeVector. In base ai valori temporali in questo campo, la Figura 1 e la Figura 2 possono essere sincronizzate in tempo reale.
- Dopo aver letto i due file 4D utilizzando il comando dicomread , eseguire la funzione Synchronize_B_C con le due matrici 4D come input.
NOTA: La Figura 3 mostra il video risultante che può ancora essere riprodotto continuamente. La differenza ora è che i dati ecografici 4D B-Mode e i dati ecografici 4D Color Doppler sono sincronizzati in tempo reale all'interno degli stessi fotogrammi video. La GUI nella Figura 3 ha lo stesso set di controlli e operazioni interattivi descritti in precedenza nel passaggio 1.4.4 della Figura 1.
3. Ricostruzione triplanare sincrona per tiroide
NOTA: Per consentire una localizzazione e una quantificazione più precise delle lesioni, questo studio ha eseguito la ricostruzione triplanare della ghiandola tiroidea dai dati ecografici 4D acquisiti, con interattività in tempo reale. Ciò consente ai medici di individuare rapidamente e con precisione le lesioni, gettando solide basi per la successiva quantificazione delle regioni colpite.
- Chiamare la funzione thyroid_triplanar con i dati ecografici 4D B-mode della Figura 1 come input per derivare i tre piani ortogonali (coronale, sagittale e assiale) come mostrato nella Figura 4.
- L'interazione del mirino nella Figura 4 consente l'ispezione in tempo reale di diverse parti della ghiandola tiroidea. Fare clic e trascinare il centro del mirino per un esame 3D arbitrario dell'anatomia tiroidea ricostruita dall'ecografia.
NOTA: La GUI nella Figura 4 consente inoltre di regolare l'intervallo di intensità della scala di grigi, il contrasto e la luminosità delle viste triplanari. - Premere e trascinare il pulsante sinistro del mouse su qualsiasi regione delle immagini per modificare in tempo reale i livelli di luminosità e contrasto . Rilasciare il pulsante del mouse per confermare e finalizzare le regolazioni.
4. Ricostruzione triplanare sincrona per il campo del flusso sanguigno 3D
NOTA: La ricostruzione delle viste triplanari sincrone per il campo del flusso sanguigno 3D sulla base dei dati ecografici Doppler a colori 4D è anche clinicamente importante per caratterizzare la tiroidite di Hashimoto (HT).
- Chiamare la funzione thyroid_3D_blood con i dati ecografici 4D C-mode della Figura 2 come input per derivare i tre piani ortogonali (coronale, sagittale e assiale) come mostrato nella Figura 5.
- L'interazione del mirino nella Figura 5 consente l'ispezione in tempo reale di diverse parti della ghiandola tiroidea. Fare clic e trascinare il centro del mirino per un esame 3D arbitrario dell'anatomia tiroidea ricostruita dall'ecografia.
NOTA: La GUI nella Figura 5 consente inoltre di regolare l'intervallo di intensità della scala di grigi, il contrasto e la luminosità delle viste triplanari. - Premere e trascinare il pulsante sinistro del mouse su qualsiasi regione delle immagini per modificare in tempo reale i livelli di luminosità e contrasto . Rilasciare il pulsante del mouse per confermare e finalizzare le regolazioni.
5. Sincronizzazione delle viste triplanari B-mode e delle viste triplanari color Doppler
NOTA: Sulla base delle viste triplanari mostrate nella Figura 4, la sincronizzazione delle corrispondenti immagini del flusso Doppler a colori con le posizioni della lesione faciliterebbe senza dubbio la diagnosi e la quantificazione della progressione patologica nella tiroidite di Hashimoto (HT).
- Trascinare l'interazione del mirino nella Figura 4 per individuare l'area di interesse ed eseguire US_B2C per ottenere la posizione corrispondente nelle viste tridimensionali color Doppler.
- Trascinare l'interazione del mirino nella Figura 5 per individuare l'area di interesse ed eseguire US_C2B per ottenere la posizione corrispondente nelle viste triplanari in modalità B.
NOTA: La Figura 6 pone una solida base ecografica per la localizzazione precisa e la diagnosi definitiva delle lesioni della tiroidite (HT) di Hashimoto.
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Representative Results
Come mostrato nell'interfaccia utente grafica (GUI) nella Figura 1 e nella Figura 2, la sequenza di scansione ecografica può essere controllata continuamente. Tuttavia, questo esame bidimensionale si basa molto sulle conoscenze anatomiche del tiroidologo per ricostruire mentalmente la posizione della lesione, il che è difficile per i principianti e si traduce in una mancanza di coerenza quantitativa. La Figura 3 fonde la scala di grigi B-mode con le immagini di flusso color Doppler per consentire un'ispezione più informata sulle scansioni 2D.
Per facilitare una valutazione completa e affidabile dei disturbi della tiroide, la Figura 4 mostra la distribuzione spaziale 3D delle intensità B-mode, mentre la Figura 5 mostra la mappa della vascolarizzazione 3D ricostruita dai dati color Doppler. Come illustrato nella GUI (Figura 6), viene realizzata una visualizzazione sincronizzata delle informazioni strutturali e funzionali lungo tre piani ortogonali. I medici possono ispezionare continuamente le sezioni trasversali multiplanari delle immagini in scala di grigi della tiroide e le corrispondenti immagini del flusso sanguigno. Questa perfetta integrazione di modalità complementari potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nel localizzare e determinare con precisione la gravità delle patologie tiroidee.
Se i volumi in scala di grigi 3D e i volumi Doppler a colori 3D sono essenzialmente dati 4D che coprono le dimensioni spaziali e patologiche, il collegamento della loro interazione tra le due visualizzazioni triplanari sincronizzate potrebbe consentire al tiroideo di individuare rapidamente le lesioni in uno spazio 5D unificato e fornire diagnosi accurate in base all'intensità articolare e ai modelli di flusso.
Figura 1: Loop video a ultrasuoni trasversali B-mode. I fotogrammi B-mode consecutivi acquisiti mediante scansione trasversale continua mostrano la morfologia della tiroide. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Loop video ecocolordoppler trasversali. I fotogrammi Doppler a colori consecutivi ottenuti mediante scansione trasversale rivelano le caratteristiche del flusso sanguigno del tessuto tiroideo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Ecografia B-mode e Doppler sincronizzata. Video integrato che mostra in modo sincrono la struttura della tiroide (scala di grigi) e il flusso sanguigno (sovrapposizione colorata). La sovrapposizione color Doppler rappresenta la direzione e la velocità del flusso utilizzando una scala di colori: il rosso indica il flusso verso il trasduttore; Il blu indica il flusso lontano dal trasduttore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Viste triplanari estratte dall'ecografia B-mode. Piani ortogonali coronali, sagittali e assiali ricostruiti da scansioni 4D B-mode utilizzando la visualizzazione triplanare. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Viste triplanari estratte dall'ecografia Doppler. Piani ortogonali coronali, sagittali e assiali ricostruiti da scansioni Doppler 4D per mappare le caratteristiche del flusso sanguigno del tessuto tiroideo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Viste triplanari sincronizzate che fondono dati strutturali e vascolarizzandi. Ricostruzione multiplanare fusa che sincronizza i dati B-mode e Doppler per consentire l'ispezione morfologica e funzionale combinata. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Passaggi critici del protocollo
Mentre la Figura 1 e la Figura 2 hanno valore per l'ispezione e la diagnosi, determinare la posizione della lesione e le viste da altre prospettive richiede l'esperienza di esperti. Per la diagnosi della tiroidite di Hashimoto (HT), anche la sincronizzazione della Figura 1 e della Figura 2 in tempo reale è un passaggio importante e critico. La fase 3.3 del protocollo è una delle fasi chiave in cui, come mostrato nella Figura 4, il medico curante può esaminare in modo interattivo sezioni trasversali arbitrarie dell'anatomia tiroidea 3D. Questo è fondamentale per localizzare le lesioni e identificare le regioni anormali del tessuto. Tradizionalmente, la scansione a ultrasuoni portatile fornisce solo viste trasversali 2D. Ciò porta inevitabilmente alla supervisione dei dettagli patologici 3D a causa di punti ciechi. Allo stesso modo, la fase 4.3 del protocollo genera la mappa del flusso sanguigno 3D, che è anche fondamentale per individuare le posizioni delle lesioni. Le fasi 5.1 e 5.2 del protocollo sincronizzano le immagini strutturali e funzionali della tiroide, dotando i medici di strumenti digitali intelligenti più potenti per la gestione di condizioni complesse.
Modifiche e risoluzione dei problemi
Se si verificano artefatti di ricostruzione, l'estensione dello sweep di acquisizione potrebbe essere insufficiente. La ripetizione della scansione con copertura estesa può ovviare a questo problema. È inoltre possibile regolare parametri come la spaziatura delle sezioni e la dimensione dei pixel.
Limiti del metodo
Sebbene la scansione a ultrasuoni portatile possa ottenere timestamp per la sincronizzazione di varie modalità, manca la localizzazione della sonda 3D in tempo reale. Quindi, solo le dimensioni trasversali sono ricostruite con precisione nei modelli tiroidei. Le misurazioni quantitative sui piani trasversali sono attualmente accurate, mentre le viste coronali e sagittali aiutano la localizzazione patologica, ma al momento hanno scale quantitative inaffidabili.
Significatività rispetto ai metodi esistenti
Questa tecnica ecografica 5D migliora la scansione 2D convenzionale consentendo l'esame strutturale multiplanare combinato con la mappatura del flusso sanguigno in uno spazio panoramico visualizzato. Supera limitazioni come la dipendenza dall'operatore, i punti ciechi e l'ambiguità diagnostica che persistono nell'ecografia 2D. Il flusso di lavoro proposto getta una solida base per standardizzare e trasformare le attuali pratiche dipendenti dall'esperienza per la diagnosi ecografica delle malattie della tiroide.
Potenziali applicazioni
Questo metodo può essere applicato per localizzare e quantificare con precisione i noduli tiroidei, i tumori e le lesioni infiammatorie come la tiroidite di Hashimoto. Fornisce a radiologi e chirurghi prospettive visive migliorate per la valutazione della patologia. La tecnica ha un notevole potenziale per aiutare la diagnosi, la pianificazione del trattamento e la guida chirurgica. Inoltre, il team di studio prevede di incorporare marcatori biochimici con questa pipeline di analisi 5D per realizzare diagnosi e quantificazioni di precisione potenziate dall'intelligenza artificiale per le malattie della tiroide.
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Disclosures
Lo strumento software per la quantificazione di precisione delle malattie della tiroide, elencato nella tabella dei materiali di questo studio come Thyroid Disease Precision Quantification V1.0, è un prodotto di Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co., Ltd. I diritti di proprietà intellettuale di questo strumento software appartengono all'azienda. Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.
Acknowledgments
Questa pubblicazione ha ricevuto il sostegno del piano di ricerca e sviluppo chiave della provincia dello Shaanxi: 2023-ZDLSF-56 e della costruzione del team "scienziato + ingegnere" della provincia dello Shaanxi: 2022KXJ-019.
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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