Reconstrução Triplanar Síncrona Integrada ao Mapeamento Doppler Colorido para Localização Precisa e Rápida das Lesões Tireoidianas

Summary

Apresentamos aqui uma técnica de ultrassom 5D combinando reconstrução 3D multiplanar e fusão com Doppler colorido, que permite a visualização sincrônica de informações estruturais e funcionais da tireoide. Ao minimizar os pontos cegos, esse método permite a localização rápida e precisa das lesões para melhorar a acurácia diagnóstica, beneficiando especialmente os profissionais iniciantes.

Abstract

Este trabalho propõe uma nova técnica de exame da tireoide baseada na reconstrução sincrônica de dados ultrassonográficos em cinco dimensões (5D). As sequências temporais brutas são reconstruídas em dados volumétricos 3D refletindo a estrutura anatômica. A visualização triplanar a partir de três planos ortogonais é realizada para fornecer uma inspeção sistemática de toda a glândula. O Doppler colorido é integrado a cada corte triplanar para mapear as alterações vasculares. Esta fusão multimodal permite a exibição síncrona de informações estruturais, funcionais e de fluxo sanguíneo no espaço 5D reconstruído. Em comparação com a digitalização convencional, essa técnica oferece os benefícios do diagnóstico off-line flexível, dependência reduzida da digitalização, interpretação intuitiva aprimorada e avaliação abrangente de vários aspectos. Ao minimizar os erros de supervisão, poderia melhorar a precisão do diagnóstico, especialmente para profissionais iniciantes. O método de fusão 5D proposto permite a localização rápida e precisa das lesões para detecção precoce. Trabalhos futuros explorarão a integração com marcadores bioquímicos para melhorar ainda mais a precisão diagnóstica. A técnica tem considerável valor clínico para o avanço do exame da tireoide.

Introduction

A tireoidite de Hashimoto (TH), a doença autoimune da tireoide (DTAI) mais frequente, é a principal causa de hipotireoidismo em áreas do mundo com iodo^{suficiente 1}. Caracteriza-se por infiltração linfocítica e autoanticorpos contra antígenos tireoidianos, levando à destruição da arquitetura tireoidiana e hipotireoidismo2. O estadiamento da TC tem como objetivo avaliar a gravidade e orientar as decisões terapêuticas. Baseia-se na combinação de marcadores bioquímicos, como o hormônio estimulante da tireoide (TSH) e os^{autoanticorpos} tireoidianos3, além de características ultrassonográficas visíveis na ultrassonografia tireoidiana ^4,5,6.

Ao exame ultrassonográfico, a TH demonstra achados característicos, incluindo ecogenicidade difusamente diminuída, ecotextura heterogênea, micronodularidade e aumento do fluxo sanguíneo ao Doppler^{colorido 6,7}. No entanto, a ultrassonografia bidimensional convencional (2D) em tons de cinza carece de métodos quantitativos para analisar sistematicamente essas características para o estadiamento da TH⁸. A avaliação das alterações de vascularização também se limita à inspeção visual qualitativa no modo 2D. A complexa arquitetura tridimensional (3D) da glândula tireoide dificulta ainda mais a avaliação completa^{usando o corte} 2D ^{convencional9,10}. Esses fatores levam a pontos cegos de imagem e interpretação errônea, resultando em baixa sensibilidade e especificidade, especialmente para profissionais menos experientes^11,12.

O exame de ultrassom portátil convencional integra aquisição e diagnóstico em tempo real. Essa dependência do fluxo de trabalho acoplado aumenta a probabilidade de erros de supervisão durante a varredura. A falta de localização e rastreamento espacial também torna imprecisa a identificação e o monitoramento das^lesões12,13. Sistemas dedicados de ultrassom 3D surgiram para suprir essas limitações e têm mostrado resultados promissores^14,15. No entanto, a maioria das tecnologias de ultrassom 3D requer mecanismos complexos de varredura mecânica e transdutores especializados, levando a altos custos e barreiras à adoção.

Para superar as limitações das técnicas convencionais de ultrassom 2D e 3D, este estudo propõe uma nova solução de reconstrução e visualização 3D adaptada para o exame da tireoide. Usando ultrassom portátil amplamente disponível, várias varreduras 2D são adquiridas primeiro para escanear toda a glândula tireoide. A reconstrução volumétrica 3D é então realizada pelo registro espacial e fusão das sequências 2D. Concomitantemente, quadros Doppler coloridos são co-registrados para criar mapas de vascularização visualizando alterações do fluxo sanguíneo. Os volumes 3D reconstruídos em tons de cinza e os mapas coloridos de vascularização são finalmente integrados em uma única plataforma, permitindo visualização multiplanar sincronizada e inspeção estrutural-funcional combinada.

Esta técnica de fusão 3D proposta fornece uma avaliação sistemática e abrangente da morfologia tireoidiana complexa a partir de diferentes aspectos. Ao minimizar os pontos cegos e permitir uma visão geral global, isso pode ajudar a melhorar a precisão do diagnóstico e reduzir os erros de supervisão, especialmente beneficiando os profissionais iniciantes. A visualização multimodal também facilita a localização rápida e precisa das lesões, sendo promissora para o diagnóstico e tratamento precoce de nódulos e tumores tireoidianos. Além disso, o método introduz a análise quantitativa de características 3D que não foi investigada para o estadiamento HT antes. Com ampla adoção, tem o potencial de padronizar e objetivar os procedimentos de diagnóstico ultrassonográfico atualmente dependentes da experiência. Ao integrar sinergicamente a reconstrução 3D portátil, a fusão multimodal, a análise quantitativa de recursos e a visualização flexível em um fluxo de trabalho simplificado, essa técnica de baixo custo e fácil de usar representa um salto diagnóstico poderoso do ultrassom 2D convencional para o avanço do exame da tireoide.

Protocol

Este estudo foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa do Hospital Sunsimiao, afiliado à Universidade de Medicina Chinesa de Pequim. O paciente foi recrutado no Departamento de Tireoide do Hospital Sunsimiao. O paciente foi submetido a exame de ultrassonografia de tireoide e consentimento informado para o estudo. Nesta investigação, dados de ultrassom 4D adquiridos com um dispositivo portátil foram utilizados para reconstruir as incidências triplanares da glândula tireoide. Além disso, foi realizada imagem com Doppler colorido síncrono em tempo real. As ferramentas de software utilizadas nesta pesquisa estão listadas na Tabela de Materiais.

1. Coleta e preparação dos dados

1. Usando um aparelho portátil de ultrassom, coloque o transdutor de arranjo linear transversalmente no pescoço do paciente para obter imagens da tireoide no plano transversal. Deslize a sonda lenta e firmemente ao longo do comprimento da tireoide, mantendo o contato e a orientação da sonda.
2. Adquira uma sequência de imagens transversais em modo B visualizando a morfologia da tireoide a uma taxa de quadros de 33 Hz.
3. Concomitantemente, aplique o Doppler colorido para detectar o fluxo sanguíneo na glândula e nos vasos. Escaneamento dos polos superior para inferior da tireoide para cobrir toda a glândula. A sequência de imagem dinâmica resultante compreende cortes transversais consecutivos que formam dois conjuntos de dados 4D.
4. Carregamento e navegação de dados de ultrassom em modo B 4D
   1. Copie todos os dados DICOM para um diretório de trabalho personalizado.
      Observação : o diretório de trabalho é o mesmo no sistema operacional e MATLAB. Pressione Enter depois de digitar cada linha para executar o comando no MATLAB.
   2. Importe o arquivo de dados US de modo B para o MATLAB usando a função dicomread e use a função de tamanho para exibir as dimensões dos dados.
      1. Abra o MATLAB no computador.
      2. Na janela de comando , digite:
         VB0 = dicomread('fname.dcm');
         Onde 'fname.dcm' poderia ser substituído pelo nome do arquivo real dos dados DICOM. Isso lerá no arquivo DICOM e armazenará os dados da imagem na variável VB0.
      3. Para exibir o tamanho dos dados carregados, digite:
         tamanho (VB0),
         NOTA: Os dados 4D importados aqui tinham dimensões de 768 pixels x 1024 pixels x 3 x 601 camadas. Os 768 pixels x 1024 pixels x 3 correspondem a uma imagem RGB padrão, onde cada pixel é representado por três canais com profundidade de 24 bits. As 601 camadas indicam o número total de fatias digitalizadas.
   3. Chame a função US_B_Show para converter os dados da matriz 4D em uma sequência de vídeo contínua em tons de cinza a ser reproduzida continuamente para exame detalhado (consulte a Figura 1).
      1. Para converter essa matriz de dados de ultrassom 4D VB0 importada na Etapa 1.4.2.2 usando a função dicomread nos arquivos DICOM em uma sequência de vídeo em tons de cinza em reprodução contínua, chame a função US_B_Show digitando o seguinte comando na janela de comando do MATLAB:
         US_B_Show(VB0)
         Onde VB0 é a variável de matriz 4D que contém os dados de ultrassom importados anteriormente.
   4. A GUI na Figura 1 mostra botões de reprodução para pausar, avançar, retroceder, etc.
      1. Pressione o botão de reprodução para iniciar a reprodução contínua de vídeo da sequência de quadros. Use os ícones da ferramenta de controle de pausa e reprodução para navegação flexível de qualquer quadro. Use os botões de ampliação/redução para ampliar ou minimizar dinamicamente as imagens durante a reprodução e o botão de zoom padrão para redefinir para a visualização 1x original.
      2. Clique no botão inspecionar valores de pixel e mova o mouse sobre uma região para sobrepor miras com coordenadas e intensidades de pixel para análise localizada.
         NOTA: Esses controles interativos permitem a inspeção flexível das características dos dados de ultrassom no espaço e no tempo.
5. Carregamento e navegação de dados de ultrassom com Doppler colorido 4D
   1. Importe o arquivo de dados de ultrassom Doppler colorido para o MATLAB usando a função dicomread e use a função de tamanho para exibir as dimensões dos dados.
      NOTA: Os dados 4D importados aqui tinham dimensões de 768 pixels x 1024 pixels x 3 x 331 camadas. Os 768 pixels x 1024 pixels x 3 correspondem a uma imagem RGB padrão, com vermelho e azul representando o fluxo sanguíneo em direções diferentes. As 331 camadas indicam o número total de fatias digitalizadas.
   2. Use a função US_C_Show para converter os dados da matriz 4D em uma sequência de vídeo colorida contínua a ser reproduzida continuamente para exame detalhado (consulte a Figura 2).
      NOTA: A GUI na Figura 2 tem o mesmo conjunto de controles interativos e operações conforme descrito anteriormente na etapa 1.4.4 da Figura 1.

2. Observação sincrônica da ultrassonografia modo B e Doppler colorido

NOTA: Os dados de ultrassom em modo B 4D mostrados na Figura 1 e os dados de ultrassom com Doppler colorido 4D mostrados na Figura 2 contêm os mesmos carimbos de tempo absolutos na quarta dimensão ao longo do eixo temporal. Esse campo é registrado nos metadados DICOM como FrameTimeVector. Com base nos valores de tempo neste campo, a Figura 1 e a Figura 2 podem ser sincronizadas em tempo real.

1. Depois de ler os dois arquivos 4D usando o comando dicomread , execute a função Synchronize_B_C com as duas matrizes 4D como entradas.
   Observação : a figura 3 mostra o vídeo resultante que ainda pode ser reproduzido continuamente. A diferença agora é que os dados de ultrassom em modo B 4D e os dados de ultrassom com Doppler colorido 4D são sincronizados em tempo real dentro dos mesmos quadros de vídeo. A GUI na Figura 3 tem o mesmo conjunto de controles e operações interativos conforme descrito anteriormente na etapa 1.4.4 da Figura 1.

3. Reconstrução triplanar sincrônica para tireoide

OBS: Para permitir uma localização e quantificação mais precisa das lesões, este estudo realizou a reconstrução triplanar da glândula tireoide a partir dos dados adquiridos do ultrassom 4D, com interatividade em tempo real. Isso permite que os clínicos identifiquem as lesões com rapidez e precisão, estabelecendo uma base sólida para a quantificação subsequente das regiões afetadas.

1. Chame a função thyroid_triplanar com os dados de ultrassom modo B 4D da Figura 1 como entrada para derivar os três planos ortogonais (coronal, sagital e axial), como mostrado na Figura 4.
2. A interação da mira na Figura 4 permite a inspeção em tempo real de diferentes partes da glândula tireoide. Clique e arraste o centro da mira para um exame 3D arbitrário da anatomia da tireoide reconstruída a partir de ultrassom.
   NOTA: A GUI na Figura 4 também permite o ajuste do intervalo de intensidade, contraste e brilho da escala de cinza das exibições triplanares.
3. Pressione e arraste o botão esquerdo do mouse sobre qualquer região das imagens para modificar em tempo real os níveis de brilho e contraste . Solte o botão do mouse para confirmar e finalizar os ajustes.

4. Reconstrução triplanar sincrônica para campo de fluxo sanguíneo 3D

NOTA: A reconstrução das incidências triplanares síncronas para o campo de fluxo sanguíneo 3D com base nos dados do ultrassom Doppler colorido 4D também é clinicamente importante para caracterizar a Tireoidite (TH) de Hashimoto.

1. Chame a função thyroid_3D_blood com os dados de ultrassom 4D modo C da Figura 2 como entrada para derivar os três planos ortogonais (coronal, sagital e axial), como mostrado na Figura 5.
2. A interação da mira na Figura 5 permite a inspeção em tempo real de diferentes partes da glândula tireoide. Clique e arraste o centro da mira para um exame 3D arbitrário da anatomia da tireoide reconstruída a partir de ultrassom.
   NOTA: A GUI na Figura 5 também permite o ajuste do intervalo de intensidade, contraste e brilho da escala de cinza das exibições triplanares.
3. Pressione e arraste o botão esquerdo do mouse sobre qualquer região das imagens para modificar em tempo real os níveis de brilho e contraste . Solte o botão do mouse para confirmar e finalizar os ajustes.

5. Sincronização das incidências triplanar modo B e triplanar com Doppler colorido

OBS: Com base nas incidências triplanares mostradas na Figura 4, a sincronização das imagens correspondentes ao Doppler colorido com a localização da lesão facilitaria, sem dúvida, o diagnóstico e a quantificação da evolução patológica da Tireoidite (TH) de Hashimoto.

1. Arraste a interação da mira na Figura 4 para localizar a região de interesse e execute US_B2C para obter a localização correspondente nas incidências triplanares com Doppler colorido.
2. Arraste a interação da mira na Figura 5 para localizar a região de interesse e execute US_C2B para obter a localização correspondente nas vistas triplanares do modo B.
   NOTA: A Figura 6 estabelece uma base ultrassonográfica sólida para a localização precisa e o diagnóstico definitivo das lesões de tireoidite (TH) de Hashimoto.

Representative Results

Como mostrado na interface gráfica do usuário (GUI) na Figura 1 e na Figura 2, a sequência de varredura do ultrassom pode ser verificada continuamente. No entanto, esse exame bidimensional depende muito do conhecimento anatômico do tireoidologista para reconstruir mentalmente a localização da lesão, o que é desafiador para os novatos e resulta em falta de consistência quantitativa. A Figura 3 funde a escala de cinza do modo B com imagens de fluxo com Doppler colorido para permitir uma inspeção mais informada nas varreduras 2D.

Para facilitar uma avaliação abrangente e confiável das alterações tireoidianas, a Figura 4 mostra a distribuição espacial 3D das intensidades do modo B, enquanto a Figura 5 exibe o mapa de vascularização 3D reconstruído a partir de dados do Doppler colorido. Conforme ilustrado na GUI (Figura 6), é realizada a visualização sincronizada das informações estruturais e funcionais ao longo de três planos ortogonais. Os médicos podem inspecionar continuamente as seções transversais multiplanares das imagens em tons de cinza da tireoide e as imagens de fluxo sanguíneo correspondentes. Essa integração perfeita de modalidades complementares poderia desempenhar um papel fundamental na localização precisa e na determinação da gravidade das patologias tireoidianas.

Se os volumes em tons de cinza 3D e os volumes do Doppler colorido 3D são essencialmente dados 4D que abrangem as dimensões espaciais e patológicas, vincular sua interação entre as duas visualizações triplanares sincronizadas poderia capacitar o tireoidologista a identificar rapidamente lesões em um espaço 5D unificado e fornecer diagnósticos precisos com base na intensidade articular e nos padrões de fluxo.

Figura 1: Loops de vídeo de ultrassom em modo B transversal. Quadros consecutivos em modo B adquiridos por varredura transversal contínua mostram morfologia tireoidiana. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Vídeo-circuito do Doppler colorido transversal. Doppler colorido consecutivo obtido por varredura transversal revelam características do fluxo sanguíneo do tecido tireoidiano. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Ultrassonografia sincronizada modo B e Doppler. Vídeo integrado exibindo sincronicamente a estrutura da tireoide (escala de cinza) e o fluxo sanguíneo (sobreposição colorida). A sobreposição do Doppler colorido representa a direção e a velocidade do fluxo usando uma escala de cores - vermelho indica o fluxo em direção ao transdutor; azul indica o fluxo para longe do transdutor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Cortes triplanares extraídos da ultrassonografia modo-B. Planos ortogonais coronais, sagitais e axiais reconstruídos a partir de varreduras 4D modo B usando visualização triplanar. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Cortes triplanares extraídos do ultrassom Doppler. Planos ortogonais coronais, sagitais e axiais reconstruídos a partir de exames com Doppler 4D para mapear as características do fluxo sanguíneo do tecido tireoidiano. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Cortes triplanares sincronizados fundindo dados estruturais e de vascularização. Reconstrução multiplanar fundida sincronizando dados em modo B e Doppler para permitir inspeção morfológica e funcional combinada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Etapas críticas do protocolo
Embora a Figura 1 e a Figura 2 tenham valor para inspeção e diagnóstico, determinar a localização da lesão e as vistas de outras perspectivas requer experiência especializada. Para o diagnóstico da tireoidite (TH) de Hashimoto, a sincronização da Figura 1 e da Figura 2 em tempo real também é um passo importante e crítico. A etapa 3.3 do protocolo é uma das principais etapas em que, como mostrado na Figura 4, o médico assistente pode examinar interativamente cortes transversais arbitrários da anatomia 3D da tireoide. Isso é crucial para localizar lesões e identificar regiões teciduais anormais. Tradicionalmente, a varredura de ultrassom portátil fornece apenas visualizações transversais 2D. Isso inevitavelmente leva à supervisão de detalhes patológicos 3D devido a pontos cegos. Da mesma forma, a etapa 4.3 do protocolo gera o mapa de fluxo sanguíneo 3D, que também é fundamental para identificar a localização das lesões. As etapas do protocolo 5.1 e 5.2 sincronizam as imagens estruturais e funcionais da tireoide, equipando os médicos com ferramentas digitais inteligentes mais poderosas para o gerenciamento de condições complexas.

Modificações e solução de problemas
Se ocorrerem artefatos de reconstrução, a extensão da varredura de aquisição pode ser insuficiente. A repetição da varredura com cobertura estendida pode superar isso. Parâmetros como espaçamento entre fatias e tamanho de pixel também podem ser ajustados.

Limitações do método
Embora a varredura de ultrassom portátil possa obter carimbos de data/hora para sincronizar vários modos, ela não possui localização de sonda 3D em tempo real. Assim, apenas as dimensões transversais são precisamente reconstruídas nos modelos tireoidianos. Medidas quantitativas em planos transversais são atualmente precisas, enquanto cortes coronais e sagitais auxiliam na localização patológica, mas têm escalas quantitativas não confiáveis no momento.

Importância em relação aos métodos existentes
Esta técnica de ultrassom 5D aprimora a varredura 2D convencional, permitindo o exame estrutural multiplanar combinado com o mapeamento do fluxo sanguíneo em um espaço panorâmico visualizado. Supera limitações como dependência do operador, pontos cegos e ambiguidade diagnóstica que persistem na ultrassonografia 2D. O fluxo de trabalho proposto estabelece uma base robusta para padronizar e transformar as práticas atuais dependentes da experiência para o diagnóstico ultrassonográfico de doenças da tireoide.

Aplicações potenciais
Esse método pode ser aplicado para localizar e quantificar com precisão nódulos tireoidianos, tumores e lesões inflamatórias, como a tireoidite de Hashimoto. Ele fornece aos radiologistas e cirurgiões perspectivas visuais aprimoradas para avaliar a patologia. A técnica tem considerável potencial para auxiliar no diagnóstico, planejamento terapêutico e orientação cirúrgica. Além disso, a equipe do estudo planeja incorporar marcadores bioquímicos com este pipeline de análise 5D para realizar diagnóstico de precisão e quantificação habilitados por IA para doenças da tireoide.

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