Synkron triplanar rekonstruksjon integrert med fargedopplerkartlegging for presis og rask lokalisering av thyreoidealesjoner

Summary

Her presenterer vi en 5D-ultralydteknikk som kombinerer multi-planar 3D-rekonstruksjon og fargedopplerfusjon, som muliggjør synkron visualisering av skjoldbrusk strukturell og funksjonell informasjon. Ved å minimere blinde flekker, tillater denne metoden rask, presis lokalisering av lesjoner for å forbedre diagnostisk nøyaktighet, spesielt til fordel for nybegynnere.

Abstract

Dette papiret foreslår en ny skjoldbruskundersøkelsesteknikk basert på femdimensjonal (5D) synkron rekonstruksjon av ultralyddata. De rå temporale sekvensene rekonstrueres til 3D-volumetriske data som reflekterer anatomisk struktur. Triplanar visualisering fra tre ortogonale plan er realisert for å gi en systematisk inspeksjon av hele kjertelen. Fargedoppleravbildning er integrert i hvert triplanar stykke for å kartlegge vaskularitetsendringer. Denne multimodale fusjonen muliggjør synkron visning av strukturell, funksjonell og blodstrømsinformasjon i det rekonstruerte 5D-rommet. Sammenlignet med konvensjonell skanning gir denne teknikken fordelene med fleksibel offline-diagnose, redusert avhengighet av skanning, forbedret intuitiv tolkning og omfattende evaluering av flere aspekter. Ved å minimere tilsynsfeil kan det forbedre diagnostisk nøyaktighet, spesielt for nybegynnere. Den foreslåtte 5D-fusjonsmetoden tillater rask og presis lokalisering av lesjoner for tidlig deteksjon. Fremtidig arbeid vil utforske integrasjon med biokjemiske markører for å forbedre diagnostisk presisjon ytterligere. Teknikken har betydelig klinisk verdi for å fremme undersøkelse av skjoldbruskkjertelen.

Introduction

Hashimotos tyreoiditt (HT), den hyppigste autoimmune skjoldbruskkjertelen lidelse (AITD), er den viktigste årsaken til hypotyreose i jod-tilstrekkelige områder av verden¹. Det er preget av lymfocytisk infiltrasjon og autoantistoffer mot skjoldbruskantigener, noe som fører til ødeleggelse av skjoldbruskarkitektur og hypothyroidisme². Staging av hormonbehandling tar sikte på å vurdere alvorlighetsgraden og veilede behandlingsbeslutninger. Det er avhengig av en kombinasjon av biokjemiske markører som skjoldbruskstimulerende hormon (TSH) og skjoldbrusk autoantistoffer³, samt ultrasonografiske egenskaper som er synlige på skjoldbrusk^{ultralyd 4,5,6}.

Ved ultralydundersøkelse viser hormonbehandling karakteristiske funn, inkludert diffust redusert ekkogenitet, heterogen ekkotekstur, mikronodularitet og økt blodgjennomstrømning på farge Doppler ^6,7. Imidlertid mangler konvensjonell todimensjonal (2D) gråtoneultralyd kvantitative metoder for systematisk analyse av disse funksjonene for HT-staging⁸. Vurderingen av vaskularitetsendringer er også begrenset til kvalitativ visuell inspeksjon i 2D-modus. Den komplekse tredimensjonale (3D) arkitekturen av skjoldbruskkjertelen hindrer ytterligere grundig evaluering ved bruk av konvensjonell 2D-kutting ^9,10. Disse faktorene fører til avbildning av blinde flekker og feiltolkning, noe som resulterer i lav sensitivitet og spesifisitet, spesielt for mindre erfarne utøvere^11,12.

Konvensjonell håndholdt ultralydskanning integrerer sanntidsoppkjøp og diagnose. Denne koblede arbeidsflytavhengigheten øker sannsynligheten for forglemmelsesfeil under skanning. Mangelen på romlig lokalisering og sporing gjør også lesjonsidentifikasjon og overvåking upresis ^12,13. Dedikerte 3D-ultralydsystemer har dukket opp for å løse disse begrensningene og har vist lovende resultater^14,15. Imidlertid krever de fleste 3D-ultralydteknologier komplekse mekaniske skannemekanismer og spesialiserte transdusere, noe som fører til høye kostnader og barrierer for adopsjon.

For å overvinne begrensningene i konvensjonelle 2D- og 3D-ultralydteknikker, foreslår denne studien en ny 3D-rekonstruksjons- og visualiseringsløsning skreddersydd for skjoldbruskundersøkelse. Ved hjelp av allment tilgjengelig håndholdt ultralyd, blir flere 2D-feier først anskaffet for å skanne hele skjoldbruskkjertelen. 3D volumetrisk rekonstruksjon blir deretter realisert ved romlig registrering og fusjon av 2D-sekvensene. Samtidig registreres fargedopplerrammer for å lage vaskularitetskart som visualiserer endringer i blodstrømmen. De rekonstruerte 3D-gråtonevolumene og de fargede vaskularitetskartene integreres til slutt i én enkelt plattform, noe som muliggjør synkronisert flerplanvisualisering og kombinert strukturfunksjonell inspeksjon.

Denne foreslåtte 3D-fusjonsteknikken gir en systematisk og omfattende evaluering av den komplekse skjoldbruskmorfologien fra forskjellige aspekter. Ved å minimere blindsoner og muliggjøre global oversikt, kan det bidra til å forbedre diagnostisk nøyaktighet og redusere tilsynsfeil, spesielt til fordel for nybegynnere. Den multimodale visualiseringen muliggjør også rask og presis lokalisering av lesjoner, og holder løfte om tidlig diagnose og behandling av skjoldbruskknuter og svulster. Videre introduserer metoden kvantitativ 3D-funksjonsanalyse som ikke har blitt undersøkt for HT-iscenesettelse tidligere. Med bred adopsjon har den potensial til å standardisere og objektivere de for tiden erfaringsavhengige ultralyddiagnoseprosedyrene. Ved å synergistisk integrere håndholdt 3D-rekonstruksjon, multimodal fusjon, kvantitativ funksjonsanalyse og fleksibel visualisering i en strømlinjeformet arbeidsflyt, representerer denne rimelige, brukervennlige teknikken et diagnostisk kraftig sprang fra konvensjonell 2D-ultralyd for å fremme skjoldbruskundersøkelse.

Protocol

Denne studien ble godkjent av Institutional Review Board of Sunsimiao Hospital tilknyttet Beijing University of Chinese Medicine. Pasienten ble rekruttert fra avdelingen for skjoldbruskkjertelen, Sunsimiao Hospital. Pasienten gjennomgikk ultralydundersøkelse av tyreoidea og samtykket informert til studien. I denne undersøkelsen ble 4D-ultralyddata oppnådd ved hjelp av en håndholdt enhet benyttet til å rekonstruere triplanar utsikt over skjoldbruskkjertelen. Videre ble sanntids synkron fargedoppleravbildning oppnådd. Programvareverktøyene som brukes i denne undersøkelsen er oppført i materialfortegnelsen.

1. Datainnsamling og klargjøring

1. Ved hjelp av en bærbar håndholdt ultralydsenhet, plasser den lineære array-transduseren tverrgående på pasientens nakke for å avbilde skjoldbruskkjertelen i tverrsnittsplanet. Skyv sonden sakte og jevnt langs lengden av skjoldbruskkjertelen mens du opprettholder sondens kontakt og orientering.
2. Skaff deg en sekvens av tverrgående B-modusbilder som visualiserer skjoldbruskmorfologi med en bildefrekvens på 33 Hz.
3. Bruk samtidig fargedoppler for å oppdage blodstrømmen i kjertelen og karene. Skann fra øvre til dårligere skjoldbruskpoler for å dekke hele kjertelen. Den resulterende dynamiske avbildningssekvensen består av påfølgende tverrgående skiver som danner to 4D-datasett.
4. Lasting og surfing av 4D B-modus ultralyddata
   1. Kopier alle DICOM-data til en tilpasset arbeidskatalog.
      MERK: Arbeidskatalogen er den samme i både operativsystemet og MATLAB. Trykk Enter etter å ha skrevet inn hver linje for å kjøre kommandoen i MATLAB.
   2. Importer den amerikanske datafilen i B-modus til MATLAB ved hjelp av dicomread-funksjonen , og bruk size-funksjonen til å vise dimensjonene til dataene.
      1. Åpne MATLAB på datamaskinen.
      2. I kommandovinduet skriver du inn:
         VB0 = dicomread ('fname.dcm');
         Hvor 'fname.dcm' kan erstattes med det faktiske filnavnet til DICOM-dataene. Dette vil lese i DICOM-filen og lagre bildedataene i variabelen VB0.
      3. Hvis du vil vise størrelsen på de lastede dataene, skriver du inn:
         størrelse (VB0),
         MERK: 4D-dataene som ble importert her, hadde dimensjoner på 768 piksler x 1024 piksler x 3 x 601 lag. 768 piksler x 1024 piksler x 3 tilsvarer et standard RGB-bilde, der hvert bildepunkt representeres av tre kanaler med 24-biters dybde. De 601 lagene angir totalt antall skannede stykker.
   3. Kall US_B_Show-funksjonen for å konvertere 4D-matrisedataene til en kontinuerlig gråtonevideosekvens som skal spilles av kontinuerlig for detaljert undersøkelse (se figur 1).
      1. For å konvertere denne 4D ultralyddatamatrisen VB0 importert i trinn 1.4.2.2 ved hjelp av dicomread-funksjonen på DICOM-filene til en kontinuerlig avspilling av gråtonevideosekvens, kaller du US_B_Show-funksjonen ved å skrive inn følgende kommando i MATLAB-kommandovinduet:
         US_B_Show(VB0)
         Hvor VB0 er 4D-matrisevariabelen som inneholder ultralyddataene importert tidligere.
   4. GUI-en i figur 1 viser avspillingsknapper for pause, fremover, tilbakespoling osv.
      1. Trykk på avspillingsknappen for å starte kontinuerlig videoavspilling av bildesekvensen. Bruk ikonene for pause- og avspillingskontrollverktøyet for fleksibel navigering i en hvilken som helst ramme. Bruk zoom inn/ut-knappene til å forstørre eller minimere bildene dynamisk under avspilling og standard zoomknapp for å tilbakestille til den opprinnelige 1x-visningen.
      2. Klikk på knappen inspiser bildepunktverdier , og beveg musen over et område for å legge trådkors med pikselkoordinater og intensiteter for lokalisert analyse.
         MERK: Disse interaktive kontrollene muliggjør fleksibel inspeksjon av ultralyddatakarakteristikker på tvers av både rom og tid.
5. Lasting og surfing av 4D-fargedoppler-ultralyddata
   1. Importer fargedoppler-ultralyddatafilen til MATLAB ved hjelp av dicomread-funksjonen , og bruk størrelsesfunksjonen til å vise dimensjonene til dataene.
      MERK: 4D-dataene som ble importert her, hadde dimensjoner på 768 piksler x 1024 piksler x 3 x 331 lag. 768 piksler x 1024 piksler x 3 tilsvarer et standard RGB-bilde, med rødt og blått som representerer blodstrømmen i forskjellige retninger. De 331 lagene angir totalt antall skannede stykker.
   2. Bruk US_C_Show-funksjonen til å konvertere 4D-matrisedataene til en kontinuerlig fargevideosekvens som skal spilles av kontinuerlig for detaljert undersøkelse (se figur 2).
      MERK: GUI-en i figur 2 har samme sett med interaktive kontroller og operasjoner som beskrevet tidligere i trinn 1.4.4 for figur 1.

2. Synkron observasjon av B-modus og fargedoppler-ultralyd

MERK: 4D B-modus ultralyddata vist i figur 1 og 4D-fargedoppler-ultralyddataene vist i figur 2 inneholder de samme absolutte tidsstemplene i den fjerde dimensjonen langs den temporale aksen. Dette feltet registreres i DICOM-metadataene som FrameTimeVector. Basert på tidsverdiene i dette feltet kan figur 1 og figur 2 synkroniseres i sanntid.

1. Etter å ha lest de to 4D-filene ved hjelp av dicomread-kommandoen , utfør Synchronize_B_C-funksjonen med de to 4D-matrisene som innganger.
   MERK: Figur 3 viser den resulterende videoen som fortsatt kan spilles av kontinuerlig. Forskjellen nå er at 4D B-Mode Ultrasound Data og 4D Color Doppler Ultrasound Data synkroniseres i sanntid innenfor de samme videorammene. GUI-en i figur 3 har samme sett med interaktive kontroller og operasjoner som beskrevet tidligere i trinn 1.4.4 for figur 1.

3. Synkron triplanar rekonstruksjon for skjoldbruskkjertelen

MERK: For å muliggjøre mer presis lokalisering og kvantifisering av lesjoner, utførte denne studien triplanar rekonstruksjon av skjoldbruskkjertelen fra de oppkjøpte 4D-ultralyddataene, med sanntids interaktivitet. Dette gjør det mulig for klinikere å raskt og nøyaktig identifisere lesjoner, og legge et solid grunnlag for påfølgende kvantifisering av de berørte regionene.

1. Kall thyroid_triplanar-funksjonen med 4D B-modus ultralyddata fra figur 1 som input for å utlede de tre ortogonale planene (koronal, sagittal og aksial) som vist i figur 4.
2. Trådkorsinteraksjonen i figur 4 muliggjør sanntidsinspeksjon av ulike deler av skjoldbruskkjertelen. Klikk og dra midten av trådkorset for en vilkårlig 3D-undersøkelse av skjoldbruskanatomien rekonstruert fra ultralyd.
   MERK: GUI-en i figur 4 gjør det også mulig å justere gråtoneintensitetsområdet, kontrasten og lysstyrken til de treplane visningene.
3. Trykk og dra venstre museknapp over et hvilket som helst område av bildene for sanntidsendring av lysstyrke og kontrastnivåer . Slipp museknappen for å bekrefte og fullføre justeringene.

4. Synkron triplanar rekonstruksjon for 3D-blodstrømsfelt

MERK: Rekonstruksjon av de synkrone triplanære visningene for 3D-blodstrømsfeltet basert på 4D-fargedoppler-ultralyddata er også klinisk viktig for å karakterisere Hashimotos tyreoiditt (HT).

1. Kall den thyroid_3D_blood funksjonen med 4D C-mode ultralyddata fra figur 2 som input for å utlede de tre ortogonale planene (koronal, sagittal og aksial) som vist i figur 5.
2. Trådkorsinteraksjonen i figur 5 muliggjør sanntidsinspeksjon av ulike deler av skjoldbruskkjertelen. Klikk og dra midten av trådkorset for en vilkårlig 3D-undersøkelse av skjoldbruskanatomien rekonstruert fra ultralyd.
   MERK: GUI-en i figur 5 gjør det også mulig å justere gråtoneintensitetsområdet, kontrasten og lysstyrken til de treplane visningene.
3. Trykk og dra venstre museknapp over et hvilket som helst område av bildene for sanntidsendring av lysstyrke og kontrastnivåer . Slipp museknappen for å bekrefte og fullføre justeringene.

5. Synkronisering av B-modus triplanar visninger og farge Doppler triplanar visninger

MERK: Ved å bygge på de triplanære visningene vist i figur 4, vil synkronisering av de tilsvarende fargedopplerstrømningsbildene til lesjonsstedene utvilsomt lette diagnosen og kvantifiseringen av den patologiske progresjonen i Hashimotos tyreoiditt (HT).

1. Dra trådkorsinteraksjonen i figur 4 for å finne interesseområdet, og utfør US_B2C for å få den tilsvarende plasseringen i de triplanære fargevisningene av Doppler.
2. Dra trådkorsinteraksjonen i figur 5 for å finne interesseområdet, og utfør US_C2B for å få den tilsvarende plasseringen i de treplane visningene i B-modus.
   MERK: Figur 6 legger et solid ultrasonografisk grunnlag for presis lokalisering og definitiv diagnose av Hashimotos tyreoiditt (HT) lesjoner.

Representative Results

Som vist i det grafiske brukergrensesnittet (GUI) i figur 1 og figur 2, kan ultralydskanningssekvensen kontrolleres kontinuerlig. Imidlertid er denne todimensjonale undersøkelsen avhengig av skjoldbruskkjertelens anatomiske kunnskap for å mentalt rekonstruere lesjonens plassering, noe som er utfordrende for nybegynnere og resulterer i mangel på kvantitativ konsistens. Figur 3 smelter sammen B-modus-gråtonene med fargedopplerflytbilder for å muliggjøre mer informert inspeksjon på 2D-skanningene.

For å lette en omfattende og pålitelig vurdering av skjoldbruskkjertelforstyrrelser, viser figur 4 den 3D-romlige fordelingen av B-modusintensiteter, mens figur 5 viser 3D-vaskularitetskartet rekonstruert fra fargedopplerdata. Som illustrert i GUI (figur 6), realiseres synkronisert visualisering av strukturell og funksjonell informasjon langs tre ortogonale plan. Klinikere kan kontinuerlig inspisere de multiplanære tverrsnittene av thyreoidea-gråtonebilder og de tilsvarende blodstrømsbildene. Denne sømløse integrasjonen av komplementære modaliteter kan spille en sentral rolle i nøyaktig lokalisering og bestemmelse av alvorlighetsgraden av skjoldbruskpatologier.

Hvis 3D-gråtonevolumene og 3D-fargedopplervolumene i hovedsak er 4D-data som spenner over de romlige og patologiske dimensjonene, kan kobling av samspillet mellom de to synkroniserte triplanarvisualiseringene gi tyreodologen mulighet til raskt å finne lesjoner i et enhetlig 5D-rom og levere nøyaktige diagnoser basert på leddintensiteten og strømningsmønstrene.

Figur 1: Tverrgående B-modus ultralyd video looper. Påfølgende B-mode-rammer ervervet ved kontinuerlig tverrskanning viser tyreoideamorfologi. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 2: Tverrgående fargedoppler-ultralydvideogjentakelser. Påfølgende fargedopplerrammer oppnådd ved tverrgående skanning avslører blodstrømningsegenskaper i skjoldbruskkjertelvevet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 3: Synkronisert B-modus og Doppler-ultralyd. Integrert video synkront viser skjoldbrusk struktur (gråtoner) og blodstrøm (farget overlegg). Fargedoppleroverlegget viser strømningsretningen og hastigheten ved hjelp av en fargeskala-rød indikerer strømning mot transduseren; Blått indikerer strømning bort fra transduseren. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 4: Triplanar visninger hentet fra B-modus ultralyd. Ortogonale koronal-, sagittal- og aksialplan rekonstruert fra 4D B-modusskanninger ved hjelp av triplanar visualisering. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 5: Triplanar visning hentet fra Doppler ultralyd. Ortogonale koronale, sagittale og aksiale plan rekonstruert fra 4D-dopplerskanninger for å kartlegge blodstrømningskarakteristikker i skjoldbruskkjertelvevet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 6: Synkroniserte triplanære visninger som smelter sammen struktur- og vaskularitetsdata. Smeltet multiplanar rekonstruksjon som synkroniserer B-modus og Doppler-data for å muliggjøre kombinert morfologisk og funksjonell inspeksjon. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Discussion

Kritiske trinn i protokollen
Mens figur 1 og figur 2 har verdi for inspeksjon og diagnostisering, krever bestemmelse av lesjonsplassering og synspunkter fra andre perspektiver eksperterfaring. For diagnostisering av Hashimotos tyreoiditt (HT) er synkronisering av figur 1 og figur 2 i sanntid også et viktig og kritisk skritt. Protokoll trinn 3.3 er et av de viktigste trinnene der, som vist i figur 4, den behandlende legen interaktivt kan undersøke vilkårlige tverrsnitt av 3D-skjoldbruskanatomien. Dette er avgjørende for å lokalisere lesjoner og identifisere unormale vevsregioner. Tradisjonelt gir håndholdt ultralydskanning bare 2D tverrgående visninger. Dette fører uunngåelig til tilsyn med 3D-patologiske detaljer på grunn av blinde flekker. På samme måte genererer protokolltrinn 4.3 3D-blodstrømskartet, som også er kritisk for å finne lesjonssteder. Protokolltrinn 5.1 og 5.2 synkroniserer de strukturelle og funksjonelle thyreoideabildene, og utstyrer klinikere med kraftigere digitale intelligente verktøy for å håndtere komplekse forhold.

Endringer og feilsøking
Hvis det oppstår rekonstruksjonsartefakter, kan omfanget av erverv være utilstrekkelig. Gjentatt skanning med utvidet dekning kan overvinne dette. Parametere som stykkeavstand og pikselstørrelse kan også justeres.

Begrensninger av metoden
Selv om håndholdt ultralydskanning kan få tidsstempler for synkronisering av forskjellige moduser, mangler den sanntids 3D-sondelokalisering. Derfor er bare de tverrgående dimensjonene nøyaktig rekonstruert i thyreoideamodellene. Kvantitative målinger på tverrgående plan er for tiden nøyaktige, mens koronale og sagittale visninger hjelper patologisk lokalisering, men har upålitelige kvantitative skalaer for tiden.

Betydning i forhold til eksisterende metoder
Denne 5D-ultralydteknikken forbedrer konvensjonell 2D-skanning ved å muliggjøre strukturell undersøkelse på flere plan kombinert med blodstrømskartlegging i et panoramavisualisert rom. Den overvinner begrensninger som operatøravhengighet, blinde flekker og diagnostisk tvetydighet som vedvarer i 2D-ultralyd. Den foreslåtte arbeidsflyten legger et robust grunnlag for å standardisere og transformere dagens erfaringsavhengige praksis for ultralyddiagnose av skjoldbrusk sykdommer.

Potensielle bruksområder
Denne metoden kan brukes til å nøyaktig lokalisere og kvantifisere skjoldbruskknuter, svulster og inflammatoriske lesjoner som Hashimotos tyreoiditt. Det gir radiologer og kirurger forbedrede visuelle perspektiver for evaluering av patologi. Teknikken har betydelig potensial for å hjelpe diagnose, behandlingsplanlegging og kirurgisk veiledning. I tillegg planlegger studiegruppen å innlemme biokjemiske markører med denne 5D-analyserørledningen for å realisere AI-bemyndiget presisjonsdiagnose og kvantifisering for skjoldbrusk sykdommer.

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