Celem tego badania jest opracowanie nowatorskiego cyfrowego modelu 3D guzków płucnych, który służy jako pomost komunikacyjny między lekarzami a pacjentami, a także jest najnowocześniejszym narzędziem do wstępnej diagnozy i oceny prognostycznej.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Celem tego badania jest opracowanie nowatorskiego cyfrowego modelu 3D guzków płucnych, który służy jako pomost komunikacyjny między lekarzami a pacjentami, a także jest najnowocześniejszym narzędziem do wstępnej diagnozy i oceny prognostycznej.
Trójwymiarowa (3D) rekonstrukcja guzków płucnych za pomocą obrazów medycznych wprowadziła nowe techniczne podejścia do diagnozowania i leczenia guzków płucnych, które są stopniowo uznawane i przyjmowane przez lekarzy i pacjentów. Niemniej jednak skonstruowanie stosunkowo uniwersalnego cyfrowego modelu 3D guzków płucnych do diagnozy i leczenia jest wyzwaniem ze względu na różnice w urządzeniach, czas fotografowania i typy guzków. Celem tego badania jest zaproponowanie nowego cyfrowego modelu 3D guzków płucnych, który służy jako pomost między lekarzami a pacjentami, a także jest najnowocześniejszym narzędziem do wstępnej diagnozy i oceny prognostycznej. Wiele metod wykrywania i rozpoznawania guzków płucnych opartych na sztucznej inteligencji wykorzystuje techniki głębokiego uczenia się w celu uchwycenia cech radiologicznych guzków płucnych, a metody te mogą osiągnąć dobrą wydajność obszaru pod krzywą (AUC). Jednak wyniki fałszywie dodatnie i fałszywie ujemne pozostają wyzwaniem dla radiologów i klinicystów. Interpretacja i wyrażenie cech z punktu widzenia klasyfikacji i badania guzków płucnych są nadal niezadowalające. W niniejszej pracy zaproponowano metodę ciągłej rekonstrukcji 3D całego płuca w pozycji poziomej i koronalnej poprzez połączenie istniejących technologii przetwarzania obrazów medycznych. W porównaniu z innymi stosowanymi metodami, metoda ta pozwala użytkownikom szybko zlokalizować guzki płucne i zidentyfikować ich podstawowe właściwości, jednocześnie obserwując guzki płucne z wielu perspektyw, zapewniając w ten sposób bardziej skuteczne narzędzie kliniczne do diagnozowania i leczenia guzków płucnych.
Globalna częstość występowania guzków płucnych jest zmienna, ale ogólnie szacuje się, że około 30% dorosłych ma co najmniej jeden guzek płucny widoczny na zdjęciach rentgenowskich klatki piersiowej1. Częstość występowania guzków płucnych jest wyższa w określonych populacjach, takich jak nałogowi palacze i osoby z rakiem płuc lub innymi chorobami płuc w wywiadzie. Ważne jest, aby pamiętać, że nie wszystkie guzki płucne są złośliwe, ale konieczna jest dokładna ocena, aby wykluczyć nowotwór złośliwy2. Wczesne wykrywanie i diagnozowanie raka płuc ma kluczowe znaczenie dla poprawy wskaźników przeżycia, a regularne badania przesiewowe za pomocą niskodawkowej tomografii komputerowej (LDCT) są zalecane dla osób z grupy wysokiego ryzyka. Wiele metod wykrywania i rozpoznawania guzków płucnych opartych na sztucznej inteligencji3,4,5,6,7 wykorzystuje techniki głębokiego uczenia się do uchwycenia cech radiologicznych guzków płucnych, a metody te mogą osiągnąć dobrą wydajność obszaru pod krzywą (AUC). Jednak wyniki fałszywie dodatnie i fałszywie ujemne pozostają wyzwaniem dla radiologów i klinicystów. Interpretacja i wyrażenie cech z punktu widzenia klasyfikacji i badania guzków płucnych są nadal niezadowalające. Jednocześnie coraz większym zainteresowaniem cieszy się rekonstrukcja 3D guzków płucnych w oparciu o LDCT jako cyfrowy model dla różnych typów guzków.
Rekonstrukcja 3D guzków płucnych to proces, który generuje trójwymiarową reprezentację małego narośla lub guzka w płucu. Proces ten zazwyczaj obejmuje zastosowanie technik analizy obrazów medycznych, które wykorzystują zarówno wiedzę medyczną, jak i podejścia oparte na analizie danych. Powstały w ten sposób cyfrowy model 3D oferuje bardziej szczegółowe i dokładne odwzorowanie guzka, umożliwiając lepszą wizualizację i analizę jego rozmiaru, kształtu i relacji przestrzennej z otaczającymi tkankami płuc8,9,10,11,12. Takie informacje mogą pomóc w diagnozowaniu i monitorowaniu guzków płucnych, szczególnie tych podejrzanych o rak. Ułatwiając bardziej precyzyjną analizę, rekonstrukcja 3D guzków płucnych może zwiększyć dokładność diagnozy i informować o decyzjach dotyczących leczenia.
Projekcja maksymalnej intensywności (MIP) jest popularną techniką w dziedzinie rekonstrukcji 3D guzków płucnych i służy do tworzenia projekcji 2D obrazu 3D8,9,10,11,12Jest to szczególnie przydatne w wizualizacji danych wolumetrycznych wyodrębnionych z plików DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) zeskanowanych przez CT. Technika MIP polega na wyborze wokseli (najmniejszych jednostek objętości danych 3D) o największym natężeniu wzdłuż kierunku patrzenia i rzutowaniu ich na płaszczyznę 2D. W ten sposób powstaje obraz 2D, który uwypukla struktury o największej intensywności i tłumi te o mniejszej intensywności, co ułatwia identyfikację i analizę odpowiednich cech9,10,11,12. MIP nie jest jednak pozbawiony ograniczeń. Na przykład proces projekcji może spowodować utratę informacji, a wynikowy obraz 2D może nie odzwierciedlać dokładnie struktury 3D obiektu znajdującego się pod spodem. Niemniej jednak MIP pozostaje cennym narzędziem do obrazowania i wizualizacji medycznej, a jego zastosowanie nadal ewoluuje wraz z postępem technologicznym i mocą obliczeniową11.
W tym badaniu opracowano kolejny model MIP do wizualizacji guzków płucnych, który jest łatwy w użyciu, przyjazny dla radiologów, lekarzy i pacjentów, a także pozwala na identyfikację i oszacowanie właściwości guzków płucnych. Główne zalety tego podejścia do przetwarzania obejmują następujące aspekty: (1) eliminacja wyników fałszywie dodatnich i fałszywie ujemnych wynikających z rozpoznawania wzorców, co umożliwia skupienie się na pomaganiu lekarzom w uzyskiwaniu bardziej kompleksowych informacji na temat lokalizacji, kształtu i rozmiaru 3D guzków płucnych, a także ich związku z otaczającym naczyniem; 2) umożliwienie lekarzom specjalistom zdobycia profesjonalnej wiedzy na temat charakterystyki guzków płucnych nawet bez pomocy radiologów; oraz (3) poprawa zarówno efektywności komunikacji między lekarzami a pacjentami, jak i oceny rokowań.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
UWAGA: Podczas etapu wstępnego przetwarzania danych, oryginalne dane DICOM muszą zostać posortowane i przechwycone, aby zapewnić kompatybilność z różnymi urządzeniami i spójne wyniki. Odpowiednia regulowana zdolność musi być zarezerwowana do przetwarzania intensywności, a ciągła perspektywa 3D jest niezbędna do obserwacji. W niniejszym protokole przedstawiono metodyczny opis podejścia badawczego, szczegółowo opisujący przypadek 84-letniej pacjentki z guzkami płucnymi. Pacjentka ta wyraziła świadomą zgodę na diagnozę za pomocą modelowania cyfrowego i zezwoliła na wykorzystanie jej danych do celów badań naukowych. Funkcja rekonstrukcji modelu pochodzi z narzędzia programowego PulmonaryNodule (szczegółowe informacje można znaleźć w Tabeli Materiałów). Poświadczenie etyczne uzyskano od Komisji Etycznej Szpitala Dongzhimen, afiliowanego przy Pekińskim Uniwersytecie Medycyny Chińskiej (DZMEC-KY-2019.90).
1. Gromadzenie i przygotowanie danych
2. Cyfrowy model do poziomej rekonstrukcji 3D
UWAGA: Podproces 3Dlung_Horizon przeprowadza dokładne badanie guzków płucnych z perspektywy horyzontalnej.
3. Konstruowanie cyfrowego modelu 3D dla dowolnego konkretnego guzka
UWAGA: Numer wycinka jest parametrem funkcji 3D_Nodules, która rekonstruuje cyfrowy model 3D, który można oglądać z każdej perspektywy.
4. Cyfrowy model rekonstrukcji koronalnej 3D
UWAGA: Podproces Build_3Dlung_Coronal jest wykonywany w celu oceny guzków płucnych z alternatywnej perspektywy koronalnej, pomagając w ten sposób klinicystom i pacjentom w bardziej precyzyjnym i wszechstronnym zrozumieniu lokalizacji i atrybutów guzków.
5. Wyjściowe wideo 3D dla dominujących guzków płucnych
UWAGA: Przekształcenie optymalnego cyfrowego modelu 3D guzka płucnego w dynamiczny film 3D umożliwia lekarzom i pacjentom lepsze zrozumienie stanu i dokonanie trafnych osądów, co jest szczególnie ważne dla formułowania skutecznych planów leczenia.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Aby metoda była możliwa do zastosowania w szerszym zakresie urządzeń, kolejność układania każdego skanu musi zostać zreorganizowana na podstawie współrzędnych wewnętrznych systemu plików DICOM (Rysunek 1), aby wygenerować poprawną objętość 3D (Rysunek 2). W oparciu o dokładne dane objętościowe wykorzystaliśmy algorytmiczną ciągłą rekonstrukcję poziomych i koronarnych obrazów MIP płuc pacjenta (Rysunek 4 oraz Rys...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Różne urządzenia LDCT mają znaczące różnice w sekwencjach obrazów DICOM, które wysyłają, zwłaszcza pod względem zarządzania systemem plików. Dlatego, aby zrekonstruować kluczowy cyfrowy model 3D guzka płucnego na późniejszych etapach protokołu, szczególnie ważny jest etap wstępnego przetwarzania danych. Na etapie przygotowania i wstępnego przetwarzania danych (krok 1.2.2) współrzędne osi z sekwencji można poprawnie posortować za pomocą sekwencji pokazanej na rysunku 1, która może być również...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Narzędzie programowe do rekonstrukcji modelu guzka płucnego, PulmonaryNodule, jest komercyjnym oprogramowaniem firmy Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd. Prawa własności intelektualnej do tego narzędzia programowego należą do firmy. Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.
Ta publikacja była wspierana przez Piąty Narodowy Program Badań Klinicznych Doskonałej Medycyny Chińskiej organizowany przez Narodową Administrację Tradycyjnej Medycyny Chińskiej (http://www.natcm.gov.cn/renjiaosi/zhengcewenjian/2021-11-04/23082.html).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| MATLAB | MathWorks | 2022B | Obliczenia i wizualizacja |
| Narzędzia do modelowania | Inteligentny Entropia | Guzek płucny V1.0 | Pekin Inteligentna nauka o entropii i Technology Co Ltd. Modelowanie do fuzji CT/MRI |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.