Diagnostika a klasifikace pleurálních onemocnění pomocí dat ultrazvukového kanálu

Pozadí a zdůvodnění:

Pleura je dvouvrstvá membrána obklopující plíce. Anatomicky se dělí na viscerální pleuru, která je připojena k vnější části plic, a na parietální pleuru, která je připojena k vnitřní straně hrudního koše. Patologické procesy zahrnující pohrudnici jsou začleněny pod názvem "pleurální choroby", které zahrnují mimo jiné pneumotorax, pleurální výpotek a různé nádory. Tato skupina onemocnění je poměrně rozšířená a jako důkaz je v literatuře uváděna incidence přes 300 až 100 000 osob za jeden rok.

Diagnostika a hodnocení onemocnění pleury zahrnuje použití různých neurozobrazovacích zařízení, jako jsou rentgenové snímky hrudníku, ultrazvuk, CT a MRI. Nejčastěji jsou rentgenové snímky hrudníku široce akceptovány jako první prostředek k identifikaci pleurálních onemocnění, přičemž ultrazvuk, CT a MRI v případě potřeby doplňují nebo tvoří diagnostické potvrzení.

Během několika posledních let došlo k významné percepční změně v používání ultrazvuku hrudníku k diagnostice pleurálních onemocnění jako součásti naléhavých a nenaléhavých situací. Ultrazvuk se ukázal jako vynikající zobrazovací zařízení pro hodnocení pleurálních onemocnění. Používá se jako pomocná látka v různých klinických situacích, jako je detekce pneumotoraxu v nouzových situacích, charakterizace pleurální tekutiny jako jednoduché nebo komplexní, rozlišení mezi ztluštěním pohrudnice a lokalizací pleurální tekutiny a další. Kromě diagnostického hlediska slouží ultrazvuk jako prostředek k provádění invazivních operací v hrudníku. Stále více se využívá ultrazvukového zobrazení hrudníku, což má za následek výrazné zvýšení kvality diagnostiky a snížení výskytu různých komplikací.

Ultrazvukový test využívá zvukové vlny k charakterizaci různých orgánových struktur a funkcí ve zdraví a nemoci. Test nezahrnuje použití ionizujícího záření, takže jeho použití je bezpečnější než jiné techniky, jako je rentgen hrudníku nebo CT vyšetření. Pořízené a prohlížené snímky v ultrazvukovém přístroji jsou v reálném čase, takže lze detekovat a vyhodnocovat změny, což v mnoha případech ovlivňuje konečnou diagnózu. Vyšetření je neinvazivní a nevyžaduje použití kontrastní látky obsahující látky, které mohou vyvolat alergickou reakci nebo poruchu funkce ledvin. Přístrojové vybavení je navíc snadněji dostupné pro použití při vyšetřeních u lůžka a většina testů nevyžaduje speciální přípravu, s výjimkou v některých případech až 6 hodin nalačno.

Na druhou stranu ultrazvukové testování má také své nevýhody. Metoda je velmi závislá na dovednostech operátora, takže pro získání dostatečně kvalitních informací a stanovení přesné diagnózy je potřeba velká zkušenost. Ultrazvuk špatně proniká kostmi a kvalitu testu zhoršuje přítomnost vzduchu mezi snímačem a vyšetřovaným orgánem nebo oblastí. Navíc kvalita testu velmi závisí na spolupráci subjektu během testu, jako jsou změny držení těla a hluboké dýchání.

Standardní technika pro vytvoření standardního 2D ultrazvukového obrazu se nyní nazývá Delay and Sum (DAS). Signály jsou vysílány a přijímány z řady prvků a vhodným rozmístěním každého signálu lze odečítaný signál zaměřit v požadovaném směru a vzdálenosti. Vzhledem k potřebě mnoha senzorů je k vytvoření požadovaného 2D obrazu zapotřebí značné množství dat. Tato skutečnost vede k potřebě použití silnějších procesorů, což má za následek vyšší spotřebu energie, větší a dražší operační systémy. Snížení počtu požadovaných vzorků při efektivním zpracování signálů proto umožňuje vytvořit vysoce kvalitní 2D obraz a zároveň snížit zátěž zbytečných dat.

Laboratoř SAMPL ve Weizmannově institutu demonstrovala tuto metodu zpracování dat pomocí ultrazvukových testů na stacionárních orgánech, jako jsou játra a ledviny, kde bylo možné snížit počet prvků potřebných pro zpracování signálu za účelem vytvoření ultrazvukového obrazu s menším objemem informací. , aniž by došlo ke snížení kvality obrazu.

Cíle lékařského experimentu:

Účelem této studie je zlepšit diagnostiku a charakterizaci pleurálních onemocnění pomocí ultrazvuku za použití nového algoritmu vyvinutého v laboratoři SAMPL ve Weizmannově institutu. Cílem je umožnit rychlý a spolehlivý diagnostický nástroj srovnatelný s dnes používaným ultrazvukovým zobrazováním při minimalizaci vzorkovací frekvence a objemu informací.

Technické údaje:

B-režim, M-režim a Dopplerovská operace ultrazvukového systému může poskytnout prostorové, časové a pohybové aspekty pleurální kompozice a dynamiky. Standardní technikou používanou komerčními lékařskými ultrazvukovými systémy pro zobrazování v B-módu je zpožďování a součet (DAS) beamforming. DAS však často poskytuje obrazy s omezeným rozlišením a kontrastem, které se řídí střední frekvencí a velikostí apertury ultrazvukového měniče. Velký počet prvků vede ke zlepšení rozlišení, ale současně zvyšuje velikost dat a náklady na systém kvůli elektronice přijímače požadované na prvek. Snížení počtu přijímacích kanálů při produkci vysoce kvalitních obrazů má tedy velký význam. Metody a algoritmy vyvinuté v SAMPL, jako je Convolutional Beamforming Algorithm (COBA), lze použít k dosažení významného zlepšení laterálního rozlišení a kontrastu. COBA lze také efektivně implementovat pomocí rychlé Fourierovy transformace. Na základě této koncepce byly vyvinuty řídké tvarovače paprsků, jejichž výsledkem je stejný obrazec paprsku jako DAS a COBA při použití mnohem menšího počtu prvků pole. Optimalizace počtu prvků ukazuje přibližné snížení počtu požadovaných prvků odmocninou ve srovnání s DAS. Výkonnost navržených metod byla testována a validována pomocí simulovaných dat, fantomových skenů a in vivo srdečních dat. Technika může být aplikována na detekci pleurálního onemocnění, což umožňuje jak zlepšenou kvalitu obrazu, tak snížení počtu prvků použitých k vytvoření obrazu, a proto v konečném důsledku usnadňuje levné, přenosné a bezdrátové ultrazvukové zobrazování. Kromě toho metody vyvinuté na SAMPL poskytují zobrazení, které je plně věnováno hodnocení pleurálních patologií, což umožňuje přímou interpretaci i neškoleným lékařům. Bezdrátové, levné a přenosné zobrazování plic společně s přímou interpretací otevírá velké množství příležitostí, od rychlé diagnostiky pneumotoraxu v ambulantních (traumatických) prostředích i na venkovských klinikách a v rozvojových zemích.

Zařízení:

Ultrazvukový systém Verasonics Vantage je ultrazvukový systém vhodný pro výzkum na lidech. Tento systém umožňuje získat nezpracovaná data zvukových vln při provádění ultrazvukového skenování.

Bezpečnost dat:

Dobrovolníci budou skenováni v Haemek Medical Center (jak je podrobně popsáno v části „Intervence“) a data budou zpracována v laboratoři SAMPL ve Weizmannově institutu. Všechny informace přenášené do laboratoře ve Weizmannově institutu budou předem zakódovány, tj. odstranění identifikačních informací, jako je jméno, identifikační číslo, adresa a přidělení sériového čísla lékařským centrem, takže informace o pacientovi nebudou pro SAMPL dostupné. laboratoř.

Přenos snímků ze zobrazovacích testů bude proveden po zakódování testovaných informací do souboru Excel. Pouze primární vyšetřovatel bude vystaven předkódovacím informacím, které budou uloženy na vyhrazeném počítači primárním vyšetřovatelem, chráněné heslem. Zakódované informace budou průběžně přenášeny do Weizmannova institutu, aby byl zajištěn spolehlivý sběr dat a možnost zpětné vazby hlavnímu řešiteli v reálném čase ve prospěch kvalitnějších dat umožňujících analýzu dat.