Artículo de método

Reconstrucción triplanar sincrónica integrada con mapeo Doppler color para una localización precisa y rápida de lesiones tiroideas

DOI:

10.3791/66569

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9 de febrero de 2024

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1Department of Thyroid, Sunsimiao Hospital, Beijing University of Chinese Medicine, 2Department of Thyroid, Dongzhimen Hospital, Beijing University of Chinese Medicine, 3Fever Clinics, Dongzhimen Hospital, Beijing University of Chinese Medicine, 4Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd.

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aquí presentamos una técnica de ultrasonido 5D que combina la reconstrucción 3D multiplanar y la fusión Doppler color, que permite la visualización sincrónica de la información estructural y funcional de la tiroides. Al minimizar los puntos ciegos, este método permite una localización rápida y precisa de las lesiones para mejorar la precisión del diagnóstico, lo que beneficia especialmente a los profesionales novatos.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

En este trabajo se propone una novedosa técnica de examen tiroideo basada en la reconstrucción sincrónica de cinco dimensiones (5D) de los datos ecográficos. Las secuencias temporales en bruto se reconstruyen en datos volumétricos 3D que reflejan la estructura anatómica. Se realiza una visualización triplanar desde tres planos ortogonales para proporcionar una inspección sistemática de toda la glándula. Las imágenes Doppler color se integran en cada corte triplanar para mapear los cambios en la vascularidad. Esta fusión multimodal permite la visualización sincrónica de información estructural, funcional y de flujo sanguíneo en el espacio 5D reconstruido. En comparación con el escaneo convencional, esta técnica ofrece los beneficios de un diagnóstico fuera de línea flexible, una menor dependencia del escaneo, una interpretación intuitiva mejorada y una evaluación integral de múltiples aspectos. Al minimizar los errores de supervisión, podría mejorar la precisión del diagnóstico, especialmente para los profesionales novatos. El método de fusión 5D propuesto permite la localización rápida y precisa de las lesiones para su detección precoz. El trabajo futuro explorará la integración con marcadores bioquímicos para mejorar aún más la precisión del diagnóstico. La técnica tiene un valor clínico considerable para avanzar en el examen de la tiroides.

Introducción

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La tiroiditis de Hashimoto (HTA), el trastorno tiroideo autoinmune (AITD) más frecuente, es la principal causa de hipotiroidismo en las zonasdel mundo con suficiente yodo. Se caracteriza por infiltración linfocítica y autoanticuerpos contra antígenos tiroideos, lo que conduce a la destrucción de la arquitectura tiroidea e hipotiroidismo2. La estadificación de la HTA tiene como objetivo evaluar la gravedad y guiar las decisiones de tratamiento. Se basa en una combinación de marcadores bioquímicos como la hormona estimulante de la tiroides (TSH) y los autoanticuerpos tiroideos3, así como en las características ultrasonográficas visibles en la ecografía tiroidea 4,5,6.

En el examen ecográfico, la HTA muestra hallazgos característicos, incluyendo disminución difusa de la ecogenicidad, ecotextura heterogénea, micronodularidad y aumento del flujo sanguíneo en el Doppler color 6,7. Sin embargo, la ecografía convencional bidimensional (2D) en escala de grises carece de métodos cuantitativos para analizar sistemáticamente estas características para la estadificación de la HTA8. La evaluación de los cambios vasculares también se limita a la inspección visual cualitativa en modo 2D. La compleja arquitectura tridimensional (3D) de la glándula tiroides dificulta aún más la evaluación exhaustiva mediante el corte 2D convencional 9,10. Estos factores conducen a la obtención de puntos ciegos de la imagen y a una mala interpretación, lo que resulta en una baja sensibilidad y especificidad, especialmente para los profesionales menos experimentados11,12.

La ecografía portátil convencional integra la adquisición y el diagnóstico en tiempo real. Esta dependencia del flujo de trabajo acoplado aumenta la probabilidad de errores de supervisión durante el escaneo. La falta de localización y seguimiento espacial también hace que la identificación y el seguimiento de las lesiones sean imprecisos12,13. Han surgido sistemas de ultrasonido 3D dedicados para abordar estas limitaciones y han mostrado resultados prometedores 14,15. Sin embargo, la mayoría de las tecnologías de ultrasonido 3D requieren mecanismos de escaneo mecánico complejos y transductores especializados, lo que genera altos costos y barreras para su adopción.

Para superar las limitaciones de las técnicas convencionales de ultrasonido 2D y 3D, este estudio propone una novedosa solución de reconstrucción y visualización 3D adaptada para el examen de la tiroides. Utilizando ultrasonido portátil ampliamente disponible, primero se adquieren múltiples barridos 2D para escanear toda la glándula tiroides. A continuación, se realiza la reconstrucción volumétrica en 3D mediante el registro espacial y la fusión de las secuencias en 2D. Al mismo tiempo, los fotogramas Doppler color se registran conjuntamente para crear mapas de vascularidad que visualizan los cambios en el flujo sanguíneo. Los volúmenes reconstruidos en escala de grises en 3D y los mapas de vascularización en color se integran finalmente en una única plataforma, lo que permite una visualización multiplanar sincronizada y una inspección estructural y funcional combinada.

Esta propuesta de técnica de fusión 3D proporciona una evaluación sistemática y completa de la compleja morfología tiroidea desde diferentes aspectos. Al minimizar los puntos ciegos y permitir una visión global, podría ayudar a mejorar la precisión del diagnóstico y reducir los errores de supervisión, lo que beneficiaría especialmente a los profesionales novatos. La visualización multimodal también facilita la localización rápida y precisa de las lesiones, lo que promete el diagnóstico y el tratamiento tempranos de nódulos tiroideos y tumores. Además, el método introduce un análisis cuantitativo de características 3D que no se ha investigado antes para la estadificación de HT. Con una amplia adopción, tiene el potencial de estandarizar y objetivar los procedimientos de diagnóstico por ultrasonido que actualmente dependen de la experiencia. Al integrar sinérgicamente la reconstrucción 3D portátil, la fusión multimodal, el análisis cuantitativo de características y la visualización flexible en un flujo de trabajo optimizado, esta técnica de bajo costo y fácil de usar representa un salto diagnóstico poderoso desde el ultrasonido 2D convencional para avanzar en el examen de tiroides.

Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este estudio fue aprobado por la Junta de Revisión Institucional del Hospital Sunsimiao, afiliado a la Universidad de Medicina China de Beijing. El paciente fue reclutado en el Departamento de Tiroides del Hospital Sunsimiao. El paciente se sometió a una ecografía tiroidea y dio su consentimiento informado para el estudio. En esta investigación, se utilizaron datos de ultrasonido 4D adquiridos con un dispositivo portátil para reconstruir las vistas triplanares de la glándula tiroides. Además, se lograron imágenes Doppler color sincrónicas en tiempo real. Las herramientas de software utilizadas en esta investigación se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Recopilación y preparación de datos

  1. Con un dispositivo de ultrasonido portátil de mano, coloque el transductor de matriz lineal transversalmente en el cuello del paciente para obtener imágenes de la tiroides en el plano de la sección transversal. Deslice la sonda lenta y constantemente a lo largo de la tiroides mientras mantiene el contacto y la orientación de la sonda.
  2. Adquiera una secuencia de imágenes transversales en modo B que visualicen la morfología de la tiroides a una velocidad de fotogramas de 33 Hz.
  3. Al mismo tiempo, aplique Doppler color para detectar el flujo sanguíneo en la glándula y los vasos. Escanee desde los polos tiroideos superior e inferior para cubrir toda la glándula. La secuencia de imágenes dinámicas resultante comprende cortes transversales consecutivos que forman dos conjuntos de datos 4D.
  4. Carga y navegación de datos de ultrasonido 4D en modo B
    1. Copie todos los datos DICOM en un directorio de trabajo personalizado.
      NOTA: El directorio de trabajo es el mismo tanto en el sistema operativo como en MATLAB. Pulse Intro después de escribir cada línea para ejecutar el comando en MATLAB.
    2. Importe el archivo de datos de EE. UU. en modo B en MATLAB mediante la función dicomread y utilice la función size para ver las dimensiones de los datos.
      1. Abra MATLAB en el equipo.
      2. En la ventana Comando , escriba:
        VB0 = dicomread('fname.dcm');
        Donde 'fname.dcm' podría ser reemplazado por el nombre de archivo real de los datos DICOM. Esto leerá el archivo DICOM y almacenará los datos de la imagen en la variable VB0.
      3. Para ver el tamaño de los datos cargados, escriba:
        tamaño (VB0),
        NOTA: Los datos 4D importados aquí tenían dimensiones de 768 píxeles x 1024 píxeles x 3 x 601 capas. Los 768 píxeles x 1024 píxeles x 3 corresponden a una imagen RGB estándar, donde cada píxel está representado por tres canales con una profundidad de 24 bits. Las 601 capas indican el número total de sectores escaneados.
    3. Llame a la función US_B_Show para convertir los datos de la matriz 4D en una secuencia de vídeo continua en escala de grises que se reproducirá continuamente para un examen detallado (ver Figura 1).
      1. Para convertir esta matriz de datos de ultrasonido 4D VB0 importada en el paso 1.4.2.2 utilizando la función dicomread de los archivos DICOM en una secuencia de vídeo en escala de grises que se reproduzca continuamente, llame a la función US_B_Show escribiendo el siguiente comando en la ventana de comandos de MATLAB:
        US_B_Show(VB0)
        Donde VB0 es la variable de matriz 4D que contiene los datos de ultrasonido importados previamente.
    4. La interfaz gráfica de usuario de la Figura 1 muestra los botones de reproducción para pausar, avanzar, rebobinar, etc.
      1. Pulse el botón de reproducción para iniciar la reproducción continua de vídeo de la secuencia de fotogramas. Utilice los iconos de las herramientas de control de pausa y reproducción para una navegación flexible de cualquier fotograma. Utilice los botones de acercamiento/alejamiento para ampliar o minimizar dinámicamente las imágenes durante la reproducción y el botón de zoom predeterminado para restablecer la vista original de 1x.
      2. Haga clic en el botón inspeccionar valores de píxel y mueva el ratón sobre una región para superponer puntos de mira con coordenadas e intensidades de píxeles para un análisis localizado.
        NOTA: Estos controles interactivos permiten una inspección flexible de las características de los datos de ultrasonido tanto en el espacio como en el tiempo.
  5. Carga y navegación de datos de ultrasonido Doppler color 4D
    1. Importe el archivo de datos de ultrasonido Doppler en color a MATLAB mediante la función dicomread y utilice la función size para ver las dimensiones de los datos.
      NOTA: Los datos 4D importados aquí tenían dimensiones de 768 píxeles x 1024 píxeles x 3 x 331 capas. Los 768 píxeles x 1024 píxeles x 3 corresponden a una imagen RGB estándar, donde el rojo y el azul representan el flujo sanguíneo en diferentes direcciones. Las 331 capas indican el número total de sectores escaneados.
    2. Utilice la función US_C_Show para convertir los datos de la matriz 4D en una secuencia de vídeo en color continua que se reproducirá continuamente para un examen detallado (véase la Figura 2).
      NOTA: La interfaz gráfica de usuario de la Figura 2 tiene el mismo conjunto de controles y operaciones interactivos que se describe anteriormente en el paso 1.4.4 de la Figura 1.

2. Observación sincrónica de la ecografía Doppler en modo B y color

NOTA: Los datos de ultrasonido 4D en modo B que se muestran en la Figura 1 y los datos de ultrasonido Doppler color 4D que se muestran en la Figura 2 contienen las mismas marcas de tiempo absolutas en la cuarta dimensión a lo largo del eje temporal. Este campo se registra en los metadatos DICOM como FrameTimeVector. Sobre la base de los valores de tiempo en este campo, la Figura 1 y la Figura 2 se pueden sincronizar en tiempo real.

  1. Después de leer los dos archivos 4D usando el comando dicomread , ejecute la función Synchronize_B_C con las dos matrices 4D como entradas.
    NOTA: En la Figura 3 se muestra el vídeo resultante que aún se puede reproducir de forma continua. La diferencia ahora es que los datos de ultrasonido 4D B-Mode y los datos de ultrasonido Doppler color 4D se sincronizan en tiempo real dentro de los mismos fotogramas de video. La interfaz gráfica de usuario de la Figura 3 tiene el mismo conjunto de controles y operaciones interactivos que se describió anteriormente en el paso 1.4.4 de la Figura 1.

3. Reconstrucción triplanar sincrónica para tiroides

NOTA: Para permitir una localización y cuantificación más precisas de las lesiones, este estudio realizó una reconstrucción triplanar de la glándula tiroides a partir de los datos de ultrasonido 4D adquiridos, con interactividad en tiempo real. Esto permite a los médicos identificar las lesiones de forma rápida y precisa, sentando una base sólida para la posterior cuantificación de las regiones afectadas.

  1. Llame a la función thyroid_triplanar con los datos de ultrasonido en modo B 4D de la Figura 1 como entrada para derivar los tres planos ortogonales (coronal, sagital y axial) como se muestra en la Figura 4.
  2. La interacción de la cruz en la Figura 4 permite la inspección en tiempo real de diferentes partes de la glándula tiroides. Haga clic y arrastre el centro de la cruz para realizar un examen arbitrario en 3D de la anatomía de la tiroides reconstruida a partir de una ecografía.
    NOTA: La interfaz gráfica de usuario de la Figura 4 también permite ajustar el rango de intensidad de la escala de grises, el contraste y el brillo de las vistas triplanares.
  3. Pulse y arrastre el botón izquierdo del ratón sobre cualquier región de las imágenes para modificar en tiempo real los niveles de brillo y contraste . Suelte el botón del ratón para confirmar y finalizar los ajustes.

4. Reconstrucción triplanar sincrónica para el campo de flujo sanguíneo 3D

NOTA: La reconstrucción de las vistas triplanares sincrónicas para el campo de flujo sanguíneo 3D basada en los datos de ultrasonido Doppler color 4D también es clínicamente importante para caracterizar la tiroiditis de Hashimoto (HTA).

  1. Llame a la función thyroid_3D_blood con los datos de ultrasonido en modo C 4D de la Figura 2 como entrada para derivar los tres planos ortogonales (coronal, sagital y axial) como se muestra en la Figura 5.
  2. La interacción en forma de cruz de la Figura 5 permite la inspección en tiempo real de diferentes partes de la glándula tiroides. Haga clic y arrastre el centro de la cruz para realizar un examen arbitrario en 3D de la anatomía de la tiroides reconstruida a partir de una ecografía.
    NOTA: La interfaz gráfica de usuario de la Figura 5 también permite ajustar el rango de intensidad de la escala de grises, el contraste y el brillo de las vistas triplanares.
  3. Pulse y arrastre el botón izquierdo del ratón sobre cualquier región de las imágenes para modificar en tiempo real los niveles de brillo y contraste . Suelte el botón del ratón para confirmar y finalizar los ajustes.

5. Sincronización de vistas triplanares en modo B y vistas triplanares Doppler color

NOTA: Sobre la base de las vistas triplanares mostradas en la Figura 4, la sincronización de las imágenes de flujo Doppler color correspondientes a las ubicaciones de la lesión facilitaría sin duda el diagnóstico y la cuantificación de la progresión patológica en la tiroiditis de Hashimoto (HTA).

  1. Arrastre la interacción en forma de cruz de la Figura 4 para localizar la región de interés y ejecute US_B2C para obtener la ubicación correspondiente en las vistas triplanares Doppler en color.
  2. Arrastre la interacción de la cruz de la Figura 5 para localizar la región de interés y ejecute US_C2B para obtener la ubicación correspondiente en las vistas triplanares del modo B.
    NOTA: La Figura 6 sienta una base ultrasonográfica sólida para la localización precisa y el diagnóstico definitivo de las lesiones de tiroiditis de Hashimoto (HTA).

Resultados

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Como se muestra en la interfaz gráfica de usuario (GUI) de la Figura 1 y la Figura 2, la secuencia de ecografía se puede comprobar continuamente. Sin embargo, este examen bidimensional se basa en gran medida en el conocimiento anatómico del tiroidólogo para reconstruir mentalmente la ubicación de la lesión, lo cual es un desafío para los principiantes y da como resultado una falta de consistencia cuantitativa. La Figura 3 fusiona la escala de grises del modo B con imágenes de flujo Doppler en color para permitir una inspección más informada en los escaneos 2D.

Para facilitar una evaluación completa y fiable de los trastornos tiroideos, la Figura 4 muestra la distribución espacial 3D de las intensidades del modo B, mientras que la Figura 5 muestra el mapa de vascularidad 3D reconstruido a partir de datos Doppler en color. Como se ilustra en la GUI (Figura 6), se realiza una visualización sincronizada de la información estructural y funcional a lo largo de tres planos ortogonales. Los médicos pueden inspeccionar continuamente las secciones transversales multiplanares de las imágenes en escala de grises de la tiroides y las imágenes de flujo sanguíneo correspondientes. Esta integración perfecta de modalidades complementarias podría desempeñar un papel fundamental en la localización precisa y la determinación de la gravedad de las patologías tiroideas.

Si los volúmenes en escala de grises 3D y los volúmenes Doppler en color 3D son esencialmente datos 4D que abarcan las dimensiones espacial y patológica, vincular su interacción a través de las dos visualizaciones triplanares sincronizadas podría permitir al tiroidólogo identificar rápidamente las lesiones en un espacio 5D unificado y ofrecer diagnósticos precisos basados en la intensidad articular y los patrones de flujo.

Imágenes de ultrasonido, gammagrafía tiroidea, herramienta de diagnóstico médico, ecografía en escala de grises, escala de medición.
Figura 1: Bucles de vídeo de ultrasonido transversales en modo B. Los marcos consecutivos en modo B adquiridos por exploración transversal continua muestran la morfología tiroidea. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Imagen Doppler ecográfica, análisis del flujo sanguíneo tiroideo, técnica de diagnóstico por imagen médica.
Figura 2: Bucles de video de ultrasonido Doppler color transversal. Los fotogramas Doppler color consecutivos obtenidos por barrido transversal revelan las características del flujo sanguíneo del tejido tiroideo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Comparación ecográfica; imágenes Doppler en escala de grises y color, análisis de flujo vascular, herramienta de diagnóstico médico.
Figura 3: Ecografía sincronizada en modo B y Doppler. Vídeo integrado que muestra de forma sincrónica la estructura tiroidea (escala de grises) y el flujo sanguíneo (superposición de colores). La superposición Doppler de color representa la dirección y la velocidad del flujo utilizando una escala de color: el rojo indica el flujo hacia el transductor; El azul indica el flujo que se aleja del transductor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Imágenes de ultrasonido que muestran los planos X, Y, Z en una configuración de diagnóstico médico, análisis transversal.
Figura 4: Vistas triplanares extraídas de la ecografía en modo B. Planos ortogonales coronales, sagitales y axiales reconstruidos a partir de escaneos 4D en modo B utilizando visualización triplanar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Diagrama de imágenes espectrales; visualización de datos 3D para estudio de absorción; Análisis de intensidad del mapa de calor.
Figura 5: Imágenes triplanares extraídas de la ecografía Doppler. Planos ortogonales coronal, sagital y axial reconstruidos a partir de exploraciones Doppler 4D para mapear las características del flujo sanguíneo del tejido tiroideo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Comparación de ultrasonidos e imágenes térmicas, análisis de diagnóstico, gráfico de distribución de temperatura.
Figura 6: Vistas triplanares sincronizadas que fusionan datos estructurales y de vascularidad. Reconstrucción multiplanar fusionada que sincroniza los datos en modo B y Doppler para permitir la inspección morfológica y funcional combinada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

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Pasos críticos en el protocolo
Si bien la Figura 1 y la Figura 2 tienen valor para la inspección y el diagnóstico, determinar la ubicación de la lesión y las vistas desde otras perspectivas requiere experiencia experta. Para el diagnóstico de la tiroiditis de Hashimoto (HTA), la sincronización de la Figura 1 y la Figura 2 en tiempo real también es un paso importante y crítico. El paso 3.3 del protocolo es uno de los pasos clave en los que, como se muestra en la Figura 4, el médico tratante puede examinar de forma interactiva secciones transversales arbitrarias de la anatomía tiroidea en 3D. Esto es crucial para localizar lesiones e identificar regiones tisulares anormales. Tradicionalmente, la ecografía portátil solo proporciona vistas transversales en 2D. Esto conduce inevitablemente a la supervisión de los detalles patológicos 3D debido a los puntos ciegos. Del mismo modo, el paso 4.3 del protocolo genera el mapa de flujo sanguíneo en 3D, que también es fundamental para identificar la ubicación de las lesiones. Los pasos 5.1 y 5.2 del protocolo sincronizan las imágenes estructurales y funcionales de la tiroides, lo que dota a los médicos de herramientas digitales inteligentes más potentes para el tratamiento de afecciones complejas.

Modificaciones y solución de problemas
Si se producen artefactos de reconstrucción, la extensión del barrido de adquisición puede ser insuficiente. La repetición del escaneo con una cobertura extendida puede superar esto. También se pueden ajustar parámetros como el espaciado de cortes y el tamaño de píxel.

Limitaciones del método
Aunque la ecografía portátil puede obtener marcas de tiempo para sincronizar varios modos, carece de localización de sondas 3D en tiempo real. Por lo tanto, solo las dimensiones transversales se reconstruyen con precisión en los modelos de tiroides. Las mediciones cuantitativas en planos transversales son actualmente precisas, mientras que las vistas coronal y sagital ayudan a la localización patológica, pero tienen escalas cuantitativas poco fiables en la actualidad.

Importancia con respecto a los métodos existentes
Esta técnica de ultrasonido 5D mejora el escaneo 2D convencional al permitir el examen estructural multiplanar combinado con el mapeo del flujo sanguíneo en un espacio panorámico visualizado. Supera limitaciones como la dependencia del operador, los puntos ciegos y la ambigüedad diagnóstica que persisten en la ecografía 2D. El flujo de trabajo propuesto sienta una base sólida para estandarizar y transformar las prácticas actuales dependientes de la experiencia para el diagnóstico por ultrasonido de las enfermedades tiroideas.

Posibles aplicaciones
Este método se puede aplicar para localizar y cuantificar con precisión nódulos tiroideos, tumores y lesiones inflamatorias como la tiroiditis de Hashimoto. Proporciona a los radiólogos y cirujanos perspectivas visuales mejoradas para evaluar la patología. La técnica tiene un potencial considerable para ayudar al diagnóstico, la planificación del tratamiento y la orientación quirúrgica. Además, el equipo del estudio planea incorporar marcadores bioquímicos con esta línea de análisis 5D para realizar un diagnóstico y una cuantificación de precisión potenciados por IA para las enfermedades de la tiroides.

Divulgaciones

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La herramienta de software para la cuantificación de precisión de la enfermedad de la tiroides, que figura en la Tabla de Materiales de este estudio como Cuantificación de Precisión de la Enfermedad de la Tiroides V1.0, es un producto de Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co., Ltd. Los derechos de propiedad intelectual de esta herramienta de software pertenecen a la empresa. Los autores no tienen conflictos de intereses que declarar.

Agradecimientos

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Esta publicación recibió el apoyo del Plan Clave de Investigación y Desarrollo de la Provincia de Shaanxi: 2023-ZDLSF-56 y la Construcción del Equipo "Científico + Ingeniero" de la Provincia de Shaanxi: 2022KXJ-019.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
MATLABMathWorks 2023BComputación y visualización 
Herramientas para la enfermedad de la tiroides Cuantificación de precisiónEntropía inteligenteTiroides-3D V1.0Beijing Entropía inteligente Ciencia y Technology Co Ltd.
Modelado para la enfermedad de la tiroides

Referencias

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