Diagnosi e classificazione delle malattie pleuriche utilizzando i dati del canale a ultrasuoni

Contesto e motivazione:

La pleura è una membrana a doppio strato che circonda i polmoni. È anatomicamente diviso in pleura viscerale, che è attaccata alla parte esterna dei polmoni, e pleura parietale, che è attaccata al lato interno della gabbia toracica. I processi patologici che coinvolgono la pleura sono incorporati sotto il nome di "malattie pleuriche" che includono, tra gli altri, pneumotorace, versamento pleurico e vari tumori. Questo gruppo di malattie è relativamente diffuso, e come prova che l'incidenza riportata in letteratura è di oltre 300-100.000 persone in un anno.

La diagnosi e la valutazione della malattia pleurica comportano l'uso di vari dispositivi di neuroimaging come radiografie del torace, ecografia, TC e risonanza magnetica. Molto spesso, le radiografie del torace sono ampiamente accettate come primo mezzo per identificare le malattie pleuriche, con l'ecografia, la TC e la risonanza magnetica che integrano o costituiscono una conferma diagnostica, se necessario.

Negli ultimi anni, è stato apportato un cambiamento percettivo significativo nell'uso dell'ecografia del torace per diagnosticare le malattie pleuriche come parte di situazioni emergenti e non emergenti. L'ecografia ha dimostrato di essere un eccellente dispositivo di imaging per la valutazione delle malattie pleuriche. Viene utilizzato come ausiliario in una varietà di situazioni cliniche, come il rilevamento del pneumotorace in situazioni di emergenza, la caratterizzazione del liquido pleurico come semplice o complesso, la distinzione tra ispessimento della pleura e loculazioni del liquido pleurico e altro ancora. Oltre all'aspetto diagnostico, l'ecografia serve come mezzo per eseguire operazioni invasive nel torace. L'uso dell'ecografia per il torace è in aumento, determinando un aumento significativo della qualità della diagnosi e una diminuzione dell'incidenza di varie complicanze.

Il test a ultrasuoni utilizza le onde sonore per caratterizzare la struttura e la funzione di vari organi in condizioni di salute e malattia. Il test non prevede l'uso di radiazioni ionizzanti, quindi il suo utilizzo è più sicuro rispetto ad altre tecniche come radiografie del torace o esami TC. Le immagini acquisite e visualizzate nel dispositivo ad ultrasuoni sono in tempo reale, in modo che i cambiamenti possano essere rilevati e valutati, il che in molti casi influisce sulla diagnosi finale. Il test non è invasivo e non richiede l'uso di mezzi di contrasto contenenti sostanze che possono provocare una reazione allergica o compromissione della funzionalità renale. Inoltre, la strumentazione è più facilmente disponibile per l'uso durante gli esami al capezzale e la maggior parte dei test non richiede preparazioni speciali, tranne in alcuni casi fino a 6 ore di digiuno.

D'altra parte, anche il test a ultrasuoni ha i suoi svantaggi. Il metodo dipende fortemente dall'abilità dell'operatore, quindi è necessaria una grande esperienza per produrre informazioni di qualità sufficienti e per fare una diagnosi accurata. L'ecografia non penetra bene attraverso le ossa e la qualità del test è compromessa dalla presenza di aria tra il trasduttore e l'organo o l'area in esame. Inoltre, la qualità del test dipende fortemente dalla collaborazione del soggetto durante il test, come i cambiamenti di postura e la respirazione profonda.

La tecnica standard per la creazione di un'immagine ecografica 2D standard è ora chiamata Delay and Sum (DAS). I segnali vengono trasmessi e ricevuti da una serie di elementi e, mediante un'appropriata spaziatura di ciascun segnale, la lettura del segnale può essere focalizzata nella direzione e distanza richieste. A causa della necessità di molti sensori, è necessaria una notevole quantità di dati per produrre l'immagine 2D desiderata. Questo fatto porta alla necessità di utilizzare processori più potenti, con conseguente maggiore consumo di energia, sistemi operativi più grandi e più costosi. Pertanto, la riduzione del numero di campioni richiesti durante l'elaborazione efficace dei segnali consente di creare un'immagine 2D di alta qualità, riducendo al contempo il carico di dati non necessari.

Il laboratorio SAMPL dell'Istituto Weizmann ha dimostrato questo metodo di elaborazione dei dati con test a ultrasuoni su organi stazionari come fegato e reni dove il numero di elementi necessari per l'elaborazione del segnale potrebbe essere ridotto allo scopo di creare un'immagine ecografica con un volume minore di informazioni , senza compromettere la qualità dell'immagine.

Obiettivi dell'esperimento medico:

Lo scopo di questo studio è quello di migliorare la diagnosi e la caratterizzazione delle malattie pleuriche mediante ultrasuoni, utilizzando un nuovo algoritmo sviluppato nel laboratorio SAMPL presso l'Istituto Weizmann. L'obiettivo è quello di abilitare uno strumento diagnostico rapido e affidabile paragonabile all'imaging a ultrasuoni utilizzato oggi, riducendo al minimo la frequenza di campionamento e il volume di informazioni.

Dettagli tecnici:

Il funzionamento B-Mode, M-Mode e Doppler di un sistema a ultrasuoni può fornire aspetti spaziali, temporali e relativi al movimento della composizione e della dinamica pleurica. La tecnica standard utilizzata dai sistemi ecografici medici commerciali per l'imaging in modalità B è il beamforming DAS (delay and sum). Tuttavia, DAS produce spesso immagini di risoluzione e contrasto limitati, che sono regolati dalla frequenza centrale e dalla dimensione dell'apertura del trasduttore a ultrasuoni. Un gran numero di elementi porta a una migliore risoluzione, ma contemporaneamente aumenta la dimensione dei dati e il costo del sistema a causa dell'elettronica del ricevitore richiesta per elemento. La riduzione dei canali di ricezione durante la produzione di immagini di alta qualità è quindi di grande importanza. I metodi e gli algoritmi sviluppati presso SAMPL, come il Convolutional Beamforming Algorithm (COBA), possono essere utilizzati per ottenere un miglioramento significativo della risoluzione laterale e del contrasto. COBA può anche essere implementato in modo efficiente utilizzando la trasformata veloce di Fourier. Sulla base di questo concetto, sono stati sviluppati beamformer sparsi, ottenendo lo stesso schema di fascio di DAS e COBA utilizzando molti meno elementi dell'array. L'ottimizzazione del numero di elementi mostra una riduzione approssimativa della radice quadrata degli elementi richiesti, rispetto a DAS. Le prestazioni dei metodi proposti sono state testate e convalidate utilizzando dati simulati, scansioni fantasma e dati cardiaci in vivo. La tecnica può essere applicata al rilevamento della malattia pleurica, consentendo sia una migliore qualità dell'immagine che la riduzione del numero di elementi utilizzati per produrre un'immagine, e quindi in definitiva facilitare l'imaging ecografico economico, portatile e wireless. Inoltre, i metodi sviluppati presso SAMPL producono immagini completamente dedicate alla valutazione delle patologie pleuriche, consentendo un'interpretazione semplice anche da parte di medici non addestrati. Insieme, l'imaging polmonare wireless, economico e portatile, insieme a un'interpretazione diretta, apre una vasta gamma di opportunità, che vanno dalla diagnosi rapida del pneumotorace in contesti ambulatoriali (traumatici), nonché nelle cliniche rurali e nei paesi in via di sviluppo.

Attrezzatura:

Il sistema a ultrasuoni Verasonics Vantage è un sistema a ultrasuoni adatto all'uso nella ricerca umana. Questo sistema consente di recuperare i dati grezzi delle onde sonore durante l'esecuzione della scansione a ultrasuoni.

La sicurezza dei dati:

I volontari saranno scansionati presso l'Haemek Medical Center (come dettagliato nella sezione "Intervento") e i dati saranno elaborati presso il laboratorio SAMPL presso l'Istituto Weizmann. Tutte le informazioni trasmesse al laboratorio dell'Istituto Weizmann saranno preventivamente codificate, ovvero rimuovendo informazioni identificative come nome, numero di identificazione, indirizzo e assegnazione di un numero di serie da parte del centro medico, in modo che le informazioni del paziente non siano disponibili per SAMPL laboratorio.

Il trasferimento delle immagini dai test di imaging verrà eseguito dopo aver codificato le informazioni testate in un file Excel. Solo il ricercatore principale sarà esposto alle informazioni di pre-codifica, che saranno archiviate su un computer dedicato dal ricercatore principale, protetto da password. Le informazioni codificate saranno trasmesse continuamente all'Istituto Weizmann, al fine di garantire un'acquisizione affidabile dei dati e la possibilità di un feedback in tempo reale al ricercatore principale a favore di dati di qualità superiore che consentano l'analisi dei dati.