Diagnose og klassificering af pleurasygdomme ved hjælp af ultralydskanaldata

Baggrund og begrundelse:

Pleura er en dobbeltlagsmembran, der omgiver lungerne. Den er anatomisk opdelt i Visceral Pleura, som er fastgjort til den yderste del af lungerne, og til Parietal Pleura, som er fastgjort til indersiden af ​​brystkassen. Patologiske processer, der involverer Pleura, er inkorporeret under navnet "Pleurale sygdomme", som blandt andet omfatter pneumothorax, pleuraeffusion og forskellige tumorer. Denne sygdomsgruppe er relativt udbredt, og som bevis på, at forekomsten rapporteret i litteraturen er over 300 til 100.000 mennesker på et år.

Diagnose og evaluering af pleurasygdom involverer brugen af ​​forskellige neuroimaging-enheder såsom røntgenbilleder af thorax, ultralyd, CT og MR. Oftest er røntgenbilleder af thorax bredt accepteret som det første middel til at identificere pleurasygdomme, med ultralyd, CT og MR, der supplerer eller udgør en diagnostisk bekræftelse, hvis det er nødvendigt.

I løbet af de sidste par år er der foretaget en betydelig perceptuel ændring i brugen af ​​thorax ultralyd til at diagnosticere lungehindesygdomme som en del af nye og ingen nye situationer. Ultralyd har vist sig at være et fremragende billeddannende apparat til vurdering af lungehindesygdomme. Det bruges som et hjælpemiddel i en række kliniske situationer, såsom pneumothorax-detektion i nødsituationer, karakterisering af pleuravæske som simpel eller kompleks, skelnen mellem pleurafortykkelse og pleuravæskelokulationer og mere. Ud over det diagnostiske aspekt tjener ultralyden som et middel til at udføre invasive operationer i brystet. Brugen af ​​ultralydsbilleddannelse til brystet er stigende, hvilket resulterer i en betydelig stigning i kvaliteten af ​​diagnosen og et fald i forekomsten af ​​forskellige komplikationer.

Ultralydstesten bruger lydbølger til at karakterisere forskellige organstrukturer og funktioner i sundhed og sygdom. Testen involverer ikke brug af ioniserende stråling, så brugen er sikrere end andre teknikker såsom røntgenbilleder af thorax eller CT-undersøgelser. De optagne og sete billeder i ultralydsapparatet er real-time, så ændringer kan opdages og evalueres, hvilket i mange tilfælde påvirker den endelige diagnose. Testen er ikke-invasiv og kræver ikke brug af kontrastmateriale indeholdende stoffer, der kan forårsage en allergisk reaktion eller svækkelse af nyrefunktionen. Derudover er instrumenteringen lettere tilgængelig til brug ved sengeundersøgelser, og de fleste test kræver ikke særlige forberedelser bortset fra op til 6 timers faste i nogle tilfælde.

På den anden side har ultralydstest også sine ulemper. Metoden er meget afhængig af operatørens dygtighed, så der kræves stor erfaring for at producere tilstrækkelig kvalitetsinformation og stille en præcis diagnose. Ultralyden trænger ikke godt igennem knoglerne, og kvaliteten af ​​testen forringes af tilstedeværelsen af ​​luft mellem transduceren og det organ eller det område, der undersøges. Derudover er testens kvalitet meget afhængig af forsøgspersonens samarbejde under testen, såsom holdningsændringer og dyb vejrtrækning.

Standardteknikken til at skabe et standard 2D ultralydsbillede kaldes nu Delay and Sum (DAS). Signaler transmitteres og modtages fra en række elementer, og ved passende afstand mellem hvert signal kan signaludlæsningen fokuseres i den ønskede retning og afstand. På grund af behovet for mange sensorer kræves der en betydelig mængde data for at producere det ønskede 2D-billede. Dette faktum fører til et behov for at bruge stærkere processorer, hvilket resulterer i højere energiforbrug, større og dyrere operativsystemer. Derfor giver en sænkning af antallet af nødvendige samples, mens signalerne behandles effektivt, det muligt at skabe et 2D-billede af høj kvalitet, samtidig med at byrden af ​​unødvendige data indsnævres.

SAMPL-laboratoriet ved Weizmann Instituttet demonstrerede denne databehandlingsmetode med ultralydstests på stationære organer såsom lever og nyrer, hvor antallet af nødvendige elementer til signalbehandling kunne reduceres med det formål at skabe et ultralydsbillede med en mindre mængde information uden at gå på kompromis med billedkvaliteten.

Formål med det medicinske eksperiment:

Formålet med denne undersøgelse er at forbedre diagnosticering og karakterisering af lungehindesygdomme ved ultralyd ved hjælp af en ny algoritme udviklet i SAMPL-laboratoriet på Weizmann Instituttet. Målet er at muliggøre et hurtigt og pålideligt diagnostisk værktøj, der kan sammenlignes med den ultralydsbilleddannelse, der bruges i dag, samtidig med at prøvetagningshastigheden og mængden af ​​information minimeres.

Tekniske detaljer:

B-Mode, M-Mode og Doppler drift af et ultralydssystem kan give rumlige, tidsmæssige og bevægelsesrelaterede aspekter af pleural sammensætning og dynamik. Standardteknikken, der bruges af kommercielle medicinske ultralydssystemer til B-mode billeddannelse, er forsinkelse og sum (DAS) stråleformning. DAS giver dog ofte billeder med begrænset opløsning og kontrast, som er styret af centerfrekvensen og blændestørrelsen på ultralydstransduceren. Et stort antal elementer fører til forbedret opløsning, men øger samtidig datastørrelsen og systemomkostningerne på grund af modtagerelektronik, der kræves pr. element. Reduktionen af ​​modtagekanaler, samtidig med at der produceres billeder af høj kvalitet, er derfor af stor betydning. Metoder og algoritmer udviklet på SAMPL, såsom Convolutional Beamforming Algorithm (COBA), kan bruges til at opnå betydelig forbedring af lateral opløsning og kontrast. COBA kan også implementeres effektivt ved hjælp af den hurtige Fourier-transformation. Baseret på dette koncept blev sparsomme stråleformere udviklet, hvilket resulterede i samme strålemønster som DAS og COBA, mens der blev brugt langt færre array-elementer. Optimering af antallet af elementer viser en omtrentlig kvadratrodsreduktion i nødvendige elementer sammenlignet med DAS. Ydeevnen af ​​de foreslåede metoder blev testet og valideret ved hjælp af simulerede data, fantomscanninger og in vivo hjertedata. Teknikken kan anvendes til påvisning af lungehindesygdom, hvilket giver mulighed for både forbedret billedkvalitet og reduktion af antallet af elementer, der bruges til at producere et billede, og derfor i sidste ende lette billig, bærbar og trådløs ultralydsbilleddannelse. Derudover giver metoderne udviklet på SAMPL billeddiagnostik, der er fuldt dedikeret til vurdering af pleurale patologier, hvilket muliggør ligetil fortolkning selv af utrænede klinikere. I fællesskab åbner trådløs, billig og bærbar lungebilleddannelse sammen med ligetil fortolkning op for et væld af muligheder, der spænder fra hurtig diagnose af pneumothorax i ambulatoriske (traume) omgivelser såvel som i landdistriktsklinikker og udviklingslande.

Udstyr:

Verasonics Vantage ultralydssystemet er et ultralydssystem, der er velegnet til menneskelig forskningsbrug. Dette system gør det muligt at hente rå lydbølgedata, når der udføres ultralydsscanning.

Datasikkerhed:

Frivillige vil blive scannet på Haemek Medical Center (Som beskrevet i afsnittet "Intervention"), og dataene vil blive behandlet på SAMPL-laboratoriet på Weizmann Instituttet. Alle informationer, der sendes til laboratoriet på Weizmann Instituttet, bliver kodet på forhånd, dvs. fjernelse af identifikationsoplysninger såsom navn, identifikationsnummer, adresse og tildeling af et serienummer af lægecentret, så patientoplysningerne vil være utilgængelige for SAMPL laboratorium.

Overførsel af billederne fra billeddannelsestestene vil ske efter indkodning af de testede oplysninger i en Excel-fil. Kun den primære efterforsker vil blive udsat for præ-kodningsoplysninger, som vil blive gemt på en dedikeret computer af den primære efterforsker, adgangskodebeskyttet. Den kodede information vil blive transmitteret kontinuerligt til Weizmann Instituttet for at sikre pålidelig dataindsamling og mulighed for realtidsfeedback til hovedefterforskeren til fordel for data af højere kvalitet, der muliggør dataanalyse.