Diagnóstico y clasificación de enfermedades pleurales utilizando datos de canales de ultrasonido

Antecedentes y justificación:

La pleura es una membrana de doble capa que rodea los pulmones. Se divide anatómicamente en pleura visceral, que se une a la parte externa de los pulmones, y pleura parietal, que se une al lado interno de la caja torácica. Los procesos patológicos que afectan a la Pleura se incorporan bajo el nombre de “Enfermedades pleurales” que incluyen, entre otros, neumotórax, derrame pleural y diversos tumores. Este grupo de enfermedades está relativamente extendido, y como evidencia la incidencia reportada en la literatura es de más de 300 a 100.000 personas en un año.

El diagnóstico y la evaluación de la enfermedad pleural implican el uso de varios dispositivos de neuroimagen, como radiografías de tórax, ultrasonido, tomografía computarizada y resonancia magnética. En la mayoría de los casos, las radiografías de tórax son ampliamente aceptadas como el primer medio para identificar enfermedades pleurales, y la ecografía, la TC y la RM complementan o constituyen una confirmación diagnóstica si es necesario.

En los últimos años se ha producido un cambio perceptivo significativo en el uso de la ecografía de tórax para el diagnóstico de enfermedades pleurales como parte de situaciones emergentes y no emergentes. Se ha demostrado que el ultrasonido es un excelente dispositivo de imagen para la evaluación de enfermedades pleurales. Se utiliza como auxiliar en una variedad de situaciones clínicas, como la detección de neumotórax en situaciones de emergencia, la caracterización del líquido pleural como simple o complejo, la distinción entre engrosamiento pleural y loculaciones de líquido pleural, y más. Además del aspecto diagnóstico, la ecografía sirve como medio para realizar operaciones invasivas en el tórax. El uso de imágenes de ultrasonido para el tórax está aumentando, lo que resulta en un aumento significativo en la calidad del diagnóstico y una disminución en la incidencia de diversas complicaciones.

La prueba de ultrasonido utiliza ondas de sonido para caracterizar la estructura y función de varios órganos en la salud y la enfermedad. La prueba no implica el uso de radiaciones ionizantes, por lo que su uso es más seguro que otras técnicas como las radiografías de tórax o las tomografías computarizadas. Las imágenes adquiridas y vistas en el dispositivo de ultrasonido son en tiempo real, por lo que se pueden detectar y evaluar los cambios, lo que en muchos casos afecta el diagnóstico final. La prueba no es invasiva y no requiere el uso de material de contraste que contenga sustancias que puedan causar una reacción alérgica o deterioro de la función renal. Además, la instrumentación está más disponible para su uso en los exámenes de cabecera, y la mayoría de las pruebas no requieren preparaciones especiales, excepto hasta 6 horas de ayuno en algunos casos.

Por otro lado, las pruebas de ultrasonido también tienen sus inconvenientes. El método depende en gran medida de la habilidad del operador, por lo que se requiere mucha experiencia para producir suficiente información de calidad y hacer un diagnóstico preciso. El ultrasonido no penetra bien a través de los huesos y la calidad de la prueba se ve afectada por la presencia de aire entre el transductor y el órgano o área que se está examinando. Además, la calidad de la prueba depende en gran medida de la cooperación del sujeto durante la prueba, como cambios de postura y respiración profunda.

La técnica estándar para crear una imagen de ultrasonido 2D estándar ahora se llama Delay and Sum (DAS). Las señales se transmiten y reciben de una serie de elementos y, mediante el espaciado adecuado de cada señal, la lectura de la señal se puede enfocar en la dirección y la distancia requeridas. Debido a la necesidad de muchos sensores, se requiere una cantidad significativa de datos para producir la imagen 2D deseada. Este hecho lleva a la necesidad de utilizar procesadores más fuertes, lo que resulta en un mayor consumo de energía, sistemas operativos más grandes y más caros. Por lo tanto, reducir la cantidad de muestras requeridas mientras se procesan las señales de manera efectiva permite crear una imagen 2D de alta calidad, al mismo tiempo que reduce la carga de datos innecesarios.

El Laboratorio SAMPL del Instituto Weizmann demostró este método de procesamiento de datos con pruebas de ultrasonido en órganos estacionarios como el hígado y los riñones donde se pudo reducir la cantidad de elementos necesarios para el procesamiento de la señal con el fin de crear una imagen de ultrasonido con un volumen menor de información. , sin comprometer la calidad de la imagen.

Objetivos del experimento médico:

El propósito de este estudio es mejorar el diagnóstico y la caracterización de enfermedades pleurales por ultrasonido, utilizando un nuevo algoritmo desarrollado en el laboratorio SAMPL del Instituto Weizmann. El objetivo es habilitar una herramienta de diagnóstico rápida y confiable comparable a las imágenes de ultrasonido que se usan hoy en día, al mismo tiempo que se minimiza la frecuencia de muestreo y el volumen de información.

Detalles técnicos:

La operación en modo B, modo M y Doppler de un sistema ultrasónico puede proporcionar aspectos relacionados con el espacio, el tiempo y el movimiento de la composición y la dinámica pleurales. La técnica estándar utilizada por los sistemas de ultrasonido médicos comerciales para la obtención de imágenes en modo B es la formación de haces de retardo y suma (DAS). Sin embargo, DAS a menudo produce imágenes de resolución y contraste limitados, que se rigen por la frecuencia central y el tamaño de apertura del transductor de ultrasonido. Una gran cantidad de elementos conduce a una resolución mejorada, pero al mismo tiempo aumenta el tamaño de los datos y el costo del sistema debido a la electrónica del receptor requerida por elemento. La reducción de los canales de recepción mientras se producen imágenes de alta calidad es, por lo tanto, de gran importancia. Los métodos y algoritmos desarrollados en SAMPL, como el algoritmo de formación de haz convolucional (COBA), se pueden utilizar para lograr una mejora significativa de la resolución lateral y el contraste. COBA también se puede implementar de manera eficiente utilizando la transformada rápida de Fourier. Sobre la base de este concepto, se desarrollaron formadores de haces dispersos, lo que dio como resultado el mismo patrón de haz que DAS y COBA utilizando muchos menos elementos de matriz. La optimización del número de elementos muestra una reducción aproximada de raíz cuadrada en los elementos requeridos, en comparación con DAS. El rendimiento de los métodos propuestos se probó y validó utilizando datos simulados, escaneos fantasma y datos cardíacos in vivo. La técnica se puede aplicar a la detección de enfermedades pleurales, lo que permite mejorar la calidad de la imagen y reducir la cantidad de elementos utilizados para producir una imagen y, por lo tanto, en última instancia, facilitar la obtención de imágenes por ultrasonido baratas, portátiles e inalámbricas. Además, los métodos desarrollados en SAMPL producen imágenes que están completamente dedicadas a la evaluación de patologías pleurales, lo que permite una interpretación sencilla incluso por parte de médicos no capacitados. Las imágenes pulmonares en conjunto, inalámbricas, baratas y portátiles, junto con una interpretación sencilla, abren una gran cantidad de oportunidades, que van desde el diagnóstico rápido de neumotórax en entornos ambulatorios (traumatológicos), así como en clínicas rurales y países en desarrollo.

Equipo:

El sistema de ultrasonido Verasonics Vantage es un sistema de ultrasonido adecuado para uso en investigación humana. Este sistema permite recuperar datos de ondas de sonido sin procesar al realizar una ecografía.

Seguridad de datos:

Los voluntarios serán escaneados en el Centro Médico Haemek (como se detalla en la sección "Intervención"), y los datos se procesarán en el laboratorio SAMPL del Instituto Weizmann. Toda la información que se transmita al laboratorio del Instituto Weizmann será codificada previamente, es decir, eliminando información identificatoria como nombre, número de identificación, dirección y asignación de un número de serie por parte del centro médico, por lo que la información del paciente no estará disponible para SAMPL. laboratorio.

La transferencia de las imágenes de las pruebas de imagen se realizará después de codificar la información probada en un archivo de Excel. Solo el investigador principal estará expuesto a la información precodificada, que el investigador principal almacenará en una computadora dedicada, protegida con contraseña. La información codificada se transmitirá continuamente al Instituto Weizmann, para garantizar la adquisición confiable de datos y la posibilidad de retroalimentación en tiempo real para el investigador principal a favor de datos de mayor calidad que permitan el análisis de datos.