Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Синхронная трипланарная реконструкция, интегрированная с цветным допплеровским картированием для точной и быстрой локализации поражений щитовидной железы

1.6K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/66569

⸱

9 февраля 2024 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
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.

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы представляем методику 5D УЗИ, сочетающую мультипланарную 3D-реконструкцию и цветное допплеровское слияние, что позволяет синхронно визуализировать структурную и функциональную информацию щитовидной железы. Сводя к минимуму слепые зоны, этот метод позволяет быстро и точно локализовать поражения, повышая точность диагностики, что особенно полезно для начинающих практикующих врачей.

Аннотация

В данной работе предложена новая методика обследования щитовидной железы, основанная на пятимерной (5D) синхронной реконструкции данных УЗИ. Необработанные временные последовательности реконструируются в объемные 3D-данные, отражающие анатомическую структуру. Реализована трипланарная визуализация из трех ортогональных плоскостей, обеспечивающая систематический осмотр всей железы. Цветная допплеровская визуализация интегрирована в каждый трипланарный срез для отображения изменений васкуляризации. Это мультимодальное слияние обеспечивает синхронное отображение структурной, функциональной информации и информации о кровотоке в реконструированном 5D-пространстве. По сравнению с обычным сканированием этот метод предлагает такие преимущества, как гибкая диагностика в автономном режиме, снижение зависимости от сканирования, улучшенная интуитивная интерпретация и всесторонняя многоаспектная оценка. Сведя к минимуму ошибки при недосмотре, это может повысить точность диагностики, особенно для начинающих практиков. Предложенный метод 5D fusion позволяет быстро и точно локализовать очаги поражения для раннего обнаружения. В будущих работах будет изучаться интеграция с биохимическими маркерами для дальнейшего повышения точности диагностики. Методика имеет большое клиническое значение для углубленного исследования щитовидной железы.

Введение

Тиреоидит Хашимото (ГТ), наиболее частое аутоиммунное заболевание щитовидной железы (АИТД), является ведущей причиной гипотиреоза в йодсодержащих районах мира1. Характеризуется лимфоцитарной инфильтрацией и аутоантителами к тиреоидным антигенам, приводящими к разрушению архитектуры щитовидной железы и гипотиреозу2. Определение стадии ГТ направлено на оценку тяжести и принятие решений о лечении. Он основан на комбинации биохимических маркеров, таких как тиреотропный гормон (ТТГ) и аутоантитела к щитовидной железе3, а также на ультразвуковых признаках, видимых на УЗИ щитовидной железы 4,5,6.

При ультразвуковом исследовании ГТ демонстрирует характерные признаки, включая диффузное снижение эхогенности, гетерогенную эхотекстуру, микроузелковость и увеличение кровотока на цветной допплерографии 6,7. Тем не менее, в обычном двумерном (2D) сером ультразвуке отсутствуют количественные методы для систематического анализа этих характеристик для стадииHT 8. Оценка сосудистых изменений также ограничивается качественным визуальным осмотром в режиме 2D. Сложная трехмерная (3D) архитектура щитовидной железы еще больше затрудняет тщательную оценку с помощью обычного 2D-среза 9,10. Эти факторы приводят к слепым пятнам визуализации и неправильной интерпретации, что приводит к низкой чувствительности и специфичности, особенно у менее опытных практикующих врачей11,12.

Обычное портативное ультразвуковое сканирование объединяет сбор данных и диагностику в режиме реального времени. Такая связанная зависимость от рабочего процесса увеличивает вероятность ошибок при сканировании. Отсутствие пространственной локализации и отслеживания также делает идентификацию и мониторинг поражения неточными12,13. Для устранения этих ограничений появились специализированные ультразвуковые 3D-системы, которые показали многообещающие результаты14,15. Однако большинство ультразвуковых 3D-технологий требуют сложных механических сканирующих механизмов и специализированных датчиков, что приводит к высоким затратам и препятствиям для внедрения.

Чтобы преодолеть ограничения традиционных 2D и 3D ультразвуковых методов, в этом исследовании предлагается новое решение для 3D-реконструкции и визуализации, адаптированное для обследования щитовидной железы. Используя широко доступное портативное ультразвуковое исследование, сначала получают несколько 2D-снимков для сканирования всей щитовидной железы. Объемная 3D-реконструкция осуществляется путем пространственной регистрации и слияния 2D-последовательностей. В то же время цветные допплеровские кадры регистрируются для создания карт васкуляризации, визуализирующих изменения кровотока. Реконструированные 3D-объемы в оттенках серого и цветные карты васкуляризации наконец-то интегрированы в единую платформу, что позволяет синхронизировать многоплоскостную визуализацию и комбинированный структурно-функциональный контроль.

Предлагаемый метод 3D-слияния обеспечивает систематическую и всестороннюю оценку сложной морфологии щитовидной железы в различных аспектах. Сводя к минимуму слепые зоны и обеспечивая глобальный обзор, это может помочь повысить точность диагностики и уменьшить количество ошибок при наблюдении, что особенно полезно для начинающих практиков. Мультимодальная визуализация также способствует быстрой и точной локализации поражений, что открывает перспективы для ранней диагностики и лечения узлов щитовидной железы и опухолей. Кроме того, метод вводит количественный 3D-анализ признаков, который ранее не исследовался для стадирования HT. При широком распространении он обладает потенциалом для стандартизации и объективизации существующих процедур ультразвуковой диагностики, зависящих от опыта. Благодаря синергетической интеграции портативной 3D-реконструкции, мультимодального слияния, количественного анализа признаков и гибкой визуализации в оптимизированный рабочий процесс, этот недорогой и простой в использовании метод представляет собой диагностически мощный скачок по сравнению с обычным 2D-ультразвуком для улучшения исследования щитовидной железы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Это исследование было одобрено Институциональным наблюдательным советом больницы Сунсимяо, связанной с Пекинским университетом китайской медицины. Пациент был набран из отделения щитовидной железы больницы Сунсимяо. Пациентка прошла ультразвуковое исследование щитовидной железы и дала информированное согласие на исследование. В этом исследовании данные 4D-УЗИ, полученные с помощью портативного устройства, были использованы для реконструкции трипланарных изображений щитовидной железы. Кроме того, была достигнута синхронная цветная допплеровская визуализация в режиме реального времени. Программные средства, использованные в данном исследовании, перечислены в таблице материалов.

1. Сбор и подготовка данных

  1. Используя портативный портативный ультразвуковой аппарат, поместите датчик линейной решетки поперек на шею пациента, чтобы визуализировать щитовидную железу в плоскости поперечного сечения. Медленно и равномерно перемещайте зонд по всей длине щитовидной железы, сохраняя контакт и ориентацию датчика.
  2. Получение последовательности поперечных изображений в B-режиме, визуализирующих морфологию щитовидной железы, с частотой кадров 33 Гц.
  3. Одновременно применяют цветной допплер для определения кровотока в железе и сосудах. Сканирование от верхнего до нижнего полюсов щитовидной железы, чтобы покрыть всю железу. Результирующая последовательность динамических изображений состоит из последовательных поперечных срезов, образующих два набора 4D-данных.
  4. Загрузка и просмотр данных УЗИ 4D B-режима
    1. Скопируйте все данные DICOM в настраиваемый рабочий каталог.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Рабочий каталог одинаков как в операционной системе, так и в MATLAB. Нажимайте клавишу Enter после ввода каждой строки, чтобы выполнить команду в MATLAB.
    2. Импортируйте файл данных УЗИ в B-режиме в MATLAB с помощью функции dicomread и используйте функцию size для просмотра размеров данных.
      1. Откройте MATLAB на компьютере.
      2. В командном окне введите:
        VB0 = dicomread('fname.dcm');
        Где 'fname.dcm' может быть заменено фактическим именем файла данных DICOM. Это считывает данные DICOM-файла и сохраняет данные изображения в переменной VB0.
      3. Чтобы просмотреть размер загруженных данных, введите:
        размер(VB0),
        ПРИМЕЧАНИЕ: 4D-данные, импортированные сюда, имеют размеры 768 пикселей x 1024 пикселей x 3 x 601 слоев. 768 пикселей x 1024 x 3 соответствует стандартному изображению RGB, где каждый пиксель представлен тремя каналами с 24-битной глубиной. 601 слой показывает общее количество отсканированных срезов.
    3. Вызовите функцию US_B_Show для преобразования данных 4D-матрицы в непрерывную видеопоследовательность в градациях серого для непрерывного воспроизведения для детального изучения (см. рис. 1).
      1. Чтобы преобразовать эту матрицу данных 4D ультразвука VB0, импортированную на шаге 1.4.2.2 с помощью функции dicomread в файлах DICOM, в непрерывно воспроизводимую видеопоследовательность в градациях серого, вызовите функцию US_B_Show , введя следующую команду в командном окне MATLAB:
        US_B_Show(VB0)
        Где VB0 — переменная 4D матрицы, содержащая ранее импортированные данные УЗИ.
    4. Графический интерфейс на рисунке 1 показывает кнопки воспроизведения для паузы, вперед, назад и т.д.
      1. Нажмите кнопку воспроизведения , чтобы начать непрерывное воспроизведение последовательности кадров. Используйте значки инструментов паузы и воспроизведения для гибкой навигации по любому кадру. Используйте кнопки увеличения/уменьшения масштаба для динамического увеличения или сокращения изображений во время воспроизведения, а также кнопку масштабирования по умолчанию для сброса к исходному 1-кратному виду.
      2. Нажмите на кнопку проверки значений пикселов и наведите курсор мыши на область, чтобы наложить перекрестие с координатами пикселей и интенсивностями для локального анализа.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Эти интерактивные элементы управления обеспечивают гибкую проверку характеристик ультразвуковых данных как в пространстве, так и во времени.
  5. Загрузка и просмотр данных 4D цветного допплеровского УЗИ
    1. Импортируйте файл данных цветного допплеровского ультразвука в MATLAB с помощью функции dicomread и используйте функцию size для просмотра размеров данных.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Импортированные сюда 4D-данные имели размеры 768 пикселей x 1024 пикселей x 3 x 331 слоев. 768 пикселей x 1024 пикселей x 3 соответствует стандартному изображению RGB, где красный и синий цвета представляют кровоток в разных направлениях. 331 слой показывает общее количество отсканированных срезов.
    2. Используйте функцию US_C_Show для преобразования данных 4D-матрицы в непрерывную цветную видеопоследовательность для непрерывного воспроизведения для детального изучения (см. рис. 2).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Графический интерфейс на рисунке 2 имеет тот же набор интерактивных элементов управления и операций, что и описанный ранее на шаге 1.4.4 для рисунка 1.

2. Синхронное наблюдение за В-режимом и цветным допплеровским ультразвуком

ПРИМЕЧАНИЕ: Данные 4D B-режима, показанные на рисунке 1 , и данные 4D-цветного допплеровского ультразвукового исследования, показанные на рисунке 2 , содержат одни и те же абсолютные метки времени в четвертом измерении вдоль временной оси. Это поле записывается в метаданные DICOM как FrameTimeVector. Основываясь на значениях времени в этом поле, рисунки 1 и 2 могут быть синхронизированы в режиме реального времени.

  1. После считывания двух 4D-файлов с помощью команды dicomread выполните функцию Synchronize_B_C с двумя 4D-матрицами в качестве входных данных.
    ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 3 показано результирующее видео, которое можно воспроизводить непрерывно. Разница заключается в том, что данные 4D B-режима ультразвука и данные 4D цветного допплеровского ультразвука синхронизируются в режиме реального времени в рамках одних и тех же видеокадров. Графический интерфейс на рисунке 3 имеет тот же набор интерактивных элементов управления и операций, что и описанный ранее на шаге 1.4.4 для рисунка 1.

3. Синхронная трипланарная реконструкция щитовидной железы

ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы обеспечить более точную локализацию и количественную оценку поражений, в данном исследовании была проведена трипланарная реконструкция щитовидной железы по полученным 4D ультразвуковым данным с интерактивностью в режиме реального времени. Это позволяет клиницистам быстро и точно выявлять поражения, закладывая прочную основу для последующей количественной оценки пораженных участков.

  1. Вызовите функцию thyroid_triplanar с данными 4D B-режима ультразвука с рисунка 1 в качестве входных данных, чтобы получить три ортогональные плоскости (корональную, сагиттальную и аксиальную), как показано на рисунке 4.
  2. Взаимодействие с перекрестием на рисунке 4 позволяет в режиме реального времени осматривать различные части щитовидной железы. Щелкните и перетащите центр перекрестия для произвольного 3D-исследования анатомии щитовидной железы, реконструированного по УЗИ.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Графический интерфейс на рисунке 4 также позволяет регулировать диапазон интенсивности оттенков серого, контрастность и яркость трехпланарных видов.
  3. Нажмите и перетащите левую кнопку мыши на любую область изображения для изменения уровней яркости и контрастности в режиме реального времени. Отпустите кнопку мыши, чтобы подтвердить и завершить настройки.

4. Синхронная трипланарная реконструкция для 3D поля кровотока

ПРИМЕЧАНИЕ: Реконструкция синхронных трипланарных изображений 3D-поля кровотока на основе данных 4D цветной допплерографии также клинически важна для характеристики тиреоидита Хашимото (ГТ).

  1. Вызовите функцию thyroid_3D_blood с данными 4D C-mode ультразвука с рисунка 2 в качестве входных данных, чтобы получить три ортогональные плоскости (корональную, сагиттальную и аксиальную), как показано на рисунке 5.
  2. Взаимодействие с перекрестием на рисунке 5 позволяет в режиме реального времени осматривать различные части щитовидной железы. Щелкните и перетащите центр перекрестия для произвольного 3D-исследования анатомии щитовидной железы, реконструированного по УЗИ.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Графический интерфейс на рисунке 5 также позволяет регулировать диапазон интенсивности оттенков серого, контрастность и яркость трехпланарных видов.
  3. Нажмите и перетащите левую кнопку мыши на любую область изображения для изменения уровней яркости и контрастности в режиме реального времени. Отпустите кнопку мыши, чтобы подтвердить и завершить настройки.

5. Синхронизация B-режимных трипланарных видов и цветных доплеровских трипланарных видов

ПРИМЕЧАНИЕ: Основываясь на трипланарных видах, показанных на рисунке 4, синхронизация соответствующих цветных допплеровских изображений потока с местами поражения, несомненно, облегчит диагностику и количественную оценку патологического прогрессирования при тиреоидите Хашимото (ГТ).

  1. Перетащите взаимодействие с перекрестием на рисунке 4 , чтобы найти интересующую область, и выполните US_B2C , чтобы получить соответствующее местоположение в цветных доплеровских трипланарных видах.
  2. Перетащите взаимодействие с перекрестием на рисунке 5 , чтобы найти интересующую область, и выполните US_C2B , чтобы получить соответствующее местоположение в трехплоскостных видах B-режима.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Рисунок 6 закладывает прочную основу для точной локализации и окончательной диагностики поражений тиреоидита (ГТ) Хашимото.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Как показано в графическом интерфейсе пользователя (GUI) на рисунках 1 и 2, последовательность ультразвукового сканирования можно проверять непрерывно. Тем не менее, это двумерное исследование в значительной степени зависит от анатомических знаний тиреоидолога, чтобы мысленно реконструировать локализацию поражения, что является сложной задачей для новичков и приводит к отсутствию количественной согласованности. На рисунке 3<...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Критические шаги в протоколе
Несмотря на то, что Рисунок 1 и Рисунок 2 имеют ценность для осмотра и диагностики, определение местоположения поражения и ракурсов с других точек зрения требует экспертного опыта. Для диагностики тиреоидита Хашимото (ГТ) синхронизация рисунков 1 и 2 в режиме реального времени также является важным и критическим шагом. Шаг протокола 3.3 является одним из ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Программный инструмент для точного количественного определения заболеваний щитовидной железы, указанный в таблице материалов данного исследования как Tiroid Disease Precision Quantification V1.0, является продуктом Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co., Ltd. Права интеллектуальной собственности на этот программный инструмент принадлежат компании. У авторов нет конфликта интересов, о котором можно было бы заявлять.

Благодарности

Эта публикация получила поддержку от Плана ключевых исследований и разработок провинции Шэньси: 2023-ZDLSF-56 и Строительства команды «Ученый + инженер» провинции Шэньси: 2022KXJ-019.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
MATLABМатематические труды 2023BВычисления и визуализация 
Инструменты для точного количественного определения заболеваний щитовидной железыИнтеллектуальная энтропияThyroid-3D V1.0Пекин Интеллектуальная энтропия Наука и Technology Co Ltd.
Моделирование заболеваний щитовидной железы

Ссылки

  1. Ragusa, F., et al. Hashimotos' thyroiditis: Epidemiology, pathogenesis, clinic and therapy. Best Pract Res Clin Endocrinol Metab. 33 (6), 101367(2019).
  2. Ralli, M., et al. Hashimoto's thyroiditis: An update on pathogenic mechanisms, diagnostic protocols, therapeutic strategies, and potential malignant transformation. Autoimmun Rev. 19 (10), 102649(2020).
  3. Soh, S., Aw, T. Laboratory testing in thyroid conditions - pitfalls and clinical utility. Ann Lab Med. 39 (1), 3-13 (2019).
  4. Cansu, A., et al. Diagnostic value of 3D power Doppler ultrasound in the characterization of thyroid nodules. Turk J Med Sci. 49, 723-729 (2019).
  5. Haugen, B. R., et al. 2015 American Thyroid Association Management Guidelines for adult patients with thyroid nodules and differentiated thyroid cancer: The American Thyroid Association Guidelines Task Force on Thyroid Nodules and Differentiated Thyroid Cancer. Thyroid. 26 (1), 1-133 (2016).
  6. Acharya, U. R., et al. Diagnosis of Hashimoto's thyroiditis in ultrasound using tissue characterization and pixel classification. Proc Inst Mech Eng H. 227 (7), 788-798 (2013).
  7. Zhang, Q., et al. Deep learning to diagnose Hashimoto's thyroiditis from sonographic images. Nat Commun. 13 (1), 3759(2022).
  8. Huang, J., Zhao, J. Quantitative diagnosis progress of ultrasound imaging technology in thyroid diffuse diseases. Diagnostics. 13 (4), 700(2023).
  9. Gasic, S., et al. Relationship between low vitamin D levels with Hashimoto thyroiditis. Srp Arh Celok Lek. 151 (5-6), 296-301 (2023).
  10. Sultan, S. R., et al. Is 3D ultrasound reliable for the evaluation of carotid disease? A systematic review and meta-analysis. Med Ultrason. 25 (2), 216-223 (2023).
  11. Arsenescu, T., et al. 3D ultrasound reconstructions of the carotid artery and thyroid gland using artificial-intelligence-based automatic segmentation-qualitative and quantitative evaluation of the segmentation results via comparison with CT angiography. Sensors. 23 (5), 2806(2023).
  12. Krönke, M., et al. Tracked 3D ultrasound and deep neural network-based thyroid segmentation reduce interobserver variability in thyroid volumetry. PLoS One. 17 (7), e0268550(2022).
  13. Hazem, M., et al. Reliability of shear wave elastography in the evaluation of diffuse thyroid diseases in children and adolescents. Eur J Radiol. 143, 109942(2021).
  14. Herickhoff, C. D., et al. Low-cost volumetric ultrasound by augmentation of 2D systems: design and prototype. Ultrasound Imaging. 40 (1), 35-48 (2017).
  15. Seifert, P., et al. Optimization of thyroid volume determination by stitched 3D-ultrasound data sets in patients with structural thyroid disease. Biomedicines. 11 (2), 381(2023).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Локализация образований щитовидной железыпятимерное ультразвуковое исследованиеB-режим УЗИ3D-визуализация щитовидной железыкартирование васкуляризациисинхронная визуализацияморфология щитовидной железыслияние ультразвуковых данных
Синхронная трипланарная реконструкция, интегрированная с цветным допплеровским картированием для точной и быстрой локализации поражений щитовидной железы
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.