Keuhkopussin sairauksien diagnoosi ja luokittelu ultraäänikanavatietojen avulla

Tausta ja perustelut:

Pleura on kaksikerroksinen kalvo, joka ympäröi keuhkoja. Se on jaettu anatomisesti viskeraaliseen pleuraan, joka on kiinnittynyt keuhkojen ulkoosaan, ja parietaaliseen pleuraan, joka on kiinnitetty rintakehän sisäpuolelle. Patologiset prosessit, joihin liittyy keuhkopussi, yhdistetään nimellä "keuhkopussin sairaudet", joihin kuuluvat muun muassa pneumothorax, pleuraeffuusio ja erilaiset kasvaimet. Tämä sairausryhmä on suhteellisen laajalle levinnyt, ja todisteena siitä, että kirjallisuudessa raportoitu ilmaantuvuus on yli 300-100 000 ihmistä vuodessa.

Keuhkopussin sairauden diagnosointiin ja arviointiin kuuluu erilaisten hermoston kuvantamislaitteiden, kuten rintakehän röntgenkuvat, ultraääni, CT ja MRI, käyttö. Useimmiten rintakehän röntgenkuvaukset hyväksytään laajalti ensimmäiseksi keuhkopussin sairauksien tunnistamiskeinoksi, ja ultraääni, TT ja MRI täydentävät tai muodostavat tarvittaessa diagnostisen vahvistuksen.

Muutaman viime vuoden aikana rintakehän ultraäänen käytössä on tapahtunut merkittävä muutos keuhkopussin sairauksien diagnosoinnissa osana ilmaantuvia ja ei-ajoavia tilanteita. Ultraääni on osoittautunut erinomaiseksi kuvantamislaitteeksi keuhkopussin sairauksien arvioinnissa. Sitä käytetään apuvälineenä useissa kliinisissä tilanteissa, kuten ilmarintakehän havaitsemisessa hätätilanteissa, keuhkopussin nesteen luonnehdinnassa yksinkertaisena tai monimutkaisena, erottelussa keuhkopussin paksuuntumisen ja keuhkopussin nesteen sijainnin välillä ja paljon muuta. Diagnostisen puolen lisäksi ultraääni toimii keinona suorittaa invasiivisia leikkauksia rinnassa. Rintakehän ultraäänikuvauksen käyttö lisääntyy, minkä seurauksena diagnoosin laatu paranee merkittävästi ja erilaisten komplikaatioiden ilmaantuvuus vähenee.

Ultraäänitesti käyttää ääniaaltoja luonnehtimaan eri elinten rakennetta ja toimintaa terveydessä ja sairaudessa. Testissä ei käytetä ionisoivaa säteilyä, joten sen käyttö on turvallisempaa kuin muut tekniikat, kuten rintakehän röntgenkuvat tai TT-tutkimukset. Ultraäänilaitteesta otetut ja katsotut kuvat ovat reaaliaikaisia, joten muutokset voidaan havaita ja arvioida, mikä monissa tapauksissa vaikuttaa lopulliseen diagnoosiin. Testi on noninvasiivinen eikä vaadi varjoaineen käyttöä, joka sisältää aineita, jotka voivat aiheuttaa allergisen reaktion tai munuaisten toiminnan heikkenemistä. Lisäksi instrumentointi on helpommin saatavilla vuodetutkimuksiin, eivätkä useimmat kokeet vaadi erityisiä valmisteluja lukuun ottamatta joissain tapauksissa jopa 6 tunnin paastoa.

Toisaalta ultraäänitestauksella on myös haittapuolensa. Menetelmä on erittäin riippuvainen operaattorin taidoista, joten riittävän laadukkaan tiedon tuottaminen ja tarkan diagnoosin tekeminen vaatii paljon kokemusta. Ultraääni ei tunkeudu hyvin luiden läpi, ja testin laatua heikentää anturin ja tutkittavan elimen tai alueen välissä oleva ilma. Lisäksi testin laatu riippuu suuresti koehenkilön yhteistyöstä testin aikana, kuten asennon muutoksista ja syvästä hengityksestä.

Vakiotekniikkaa standardinmukaisen 2D-ultraäänikuvan luomiseksi kutsutaan nyt viiveeksi ja summaksi (DAS). Signaalit lähetetään ja vastaanotetaan useista elementeistä, ja kunkin signaalin sopivalla etäisyydellä signaalin lukema voidaan tarkentaa haluttuun suuntaan ja etäisyyteen. Monien antureiden tarpeesta johtuen tarvitaan huomattava määrä tietoa halutun 2D-kuvan tuottamiseksi. Tämä tosiasia johtaa tarpeeseen käyttää vahvempia prosessoreita, mikä johtaa korkeampaan energiankulutukseen, suurempiin ja kalliimpiin käyttöjärjestelmiin. Siksi vaadittujen näytteiden määrän vähentäminen samalla kun signaaleja käsitellään tehokkaasti mahdollistaa korkealaatuisen 2D-kuvan luomisen samalla, kun se vähentää tarpeettoman datan taakkaa.

Weizmann-instituutin SAMPL-laboratorio esitteli tätä tietojenkäsittelymenetelmää kiinteissä elimissä, kuten maksassa ja munuaisissa, suoritetuilla ultraäänitesteillä, joissa signaalinkäsittelyyn tarvittavien elementtien määrää voitiin vähentää, jotta voidaan luoda ultraäänikuva pienemmällä tietomäärällä. kuvanlaadusta tinkimättä.

Lääketieteellisen kokeen tavoitteet:

Tämän tutkimuksen tarkoituksena on parantaa keuhkopussin sairauksien diagnosointia ja karakterisointia ultraäänellä käyttämällä uutta Weizmann-instituutin SAMPL-laboratoriossa kehitettyä algoritmia. Tavoitteena on mahdollistaa nopea ja luotettava diagnostiikkatyökalu, joka on verrattavissa nykyisin käytettävään ultraäänikuvaukseen, samalla kun minimoidaan näytteenottotaajuus ja tiedon määrä.

Tekniset yksityiskohdat:

Ultraäänijärjestelmän B-moodin, M-tilan ja Doppler-toiminnot voivat tarjota keuhkopussin koostumukseen ja dynamiikkaan liittyviä avaruudellisia, ajallisia ja liikkeitä koskevia näkökohtia. Tavallinen tekniikka, jota kaupalliset lääketieteelliset ultraäänijärjestelmät käyttävät B-moodin kuvantamiseen, on viive ja summa (DAS) -keilanmuodostus. DAS tuottaa kuitenkin usein kuvia, joiden resoluutio ja kontrasti ovat rajalliset, joita säätelevät ultraäänianturin keskitaajuus ja aukon koko. Suuri määrä elementtejä johtaa parempaan resoluutioon, mutta samalla lisää tiedon kokoa ja järjestelmän kustannuksia elementtiä kohti vaaditun vastaanotinelektroniikan vuoksi. Vastaanottokanavien vähentäminen laadukkaita kuvia tuottaessa on siten erittäin tärkeää. SAMPL:ssa kehitettyjä menetelmiä ja algoritmeja, kuten Convolutional Beamforming Algorithm (COBA), voidaan käyttää parantamaan merkittävästi lateraalista erottelukykyä ja kontrastia. COBA voidaan toteuttaa tehokkaasti myös nopean Fourier-muunnoksen avulla. Tämän konseptin pohjalta kehitettiin harvat sädemuodostajat, jotka johtivat samaan sädekuvioon kuin DAS ja COBA, mutta käyttävät paljon vähemmän ryhmäelementtejä. Elementtien lukumäärän optimointi osoittaa tarvittavien elementtien likimääräisen neliöjuuren pienenemisen DAS:iin verrattuna. Ehdotettujen menetelmien suorituskyky testattiin ja validoitiin käyttämällä simuloitua dataa, haamuskannauksia ja in vivo sydäntietoja. Tekniikkaa voidaan soveltaa keuhkopussin sairauksien havaitsemiseen, mikä mahdollistaa sekä paremman kuvanlaadun että kuvan tuottamiseen käytettyjen elementtien määrän vähentämisen ja helpottaa siten viime kädessä halpaa, kannettavaa ja langatonta ultraäänikuvausta. Lisäksi SAMPL:ssa kehitetyt menetelmät tuottavat kuvantamisen, joka on täysin omistettu keuhkopussin patologioiden arviointiin, mikä mahdollistaa suoran tulkinnan myös kouluttamattomille kliinikoille. Yhdessä langaton, halpa ja kannettava keuhkojen kuvantaminen sekä suora tulkinta avaa runsaasti mahdollisuuksia pneumotoraksin nopeasta diagnosoinnista ambulatorisissa (trauma) tiloissa sekä maaseutuklinikoilla ja kehitysmaissa.

Laitteet:

Verasonics Vantage -ultraäänijärjestelmä on ihmisen tutkimuskäyttöön soveltuva ultraäänijärjestelmä. Tämä järjestelmä mahdollistaa raakaääniaaltotietojen hakemisen ultraääniskannausta suoritettaessa.

Tietoturva:

Vapaaehtoiset skannataan Haemek Medical Centerissä (kuten on kuvattu kohdassa "Interventio"), ja tiedot käsitellään SAMPL-laboratoriossa Weizmann-instituutissa. Kaikki Weizmann-instituutin laboratorioon lähetettävät tiedot koodataan etukäteen, eli poistetaan tunnistetiedot, kuten nimi, tunnusnumero, osoite ja lääketieteellisen keskuksen antama sarjanumero, jotta potilastiedot eivät ole SAMPLin käytettävissä. laboratorio.

Kuvien siirto kuvantamistesteistä tapahtuu sen jälkeen, kun testatut tiedot on koodattu Excel-tiedostoon. Vain ensisijainen tutkija altistuu esikoodaustiedoille, jotka ensisijainen tutkija tallentaa salasanalla suojattuun tietokoneeseen. Koodattu tieto välitetään jatkuvasti Weizmann-instituutille, jotta varmistetaan luotettava tiedonkeruu ja mahdollisuus saada reaaliaikainen palaute päätutkijalle korkealaatuisemman datan analyysin mahdollistamiseksi.