Diagnose en classificatie van pleurale aandoeningen met behulp van ultrasone kanaalgegevens

Achtergrond en grondgedachte:

Het borstvlies is een dubbellaags membraan dat de longen omringt. Het is anatomisch verdeeld in viscerale pleura, die is bevestigd aan het buitenste deel van de longen, en de pariëtale pleura, die is bevestigd aan de binnenkant van de ribbenkast. Pathologische processen waarbij het borstvlies betrokken is, worden opgenomen onder de naam "pleuraziekten", waaronder onder meer pneumothorax, pleurale effusie en verschillende tumoren. Deze ziektegroep is relatief wijdverspreid, en als bewijs dat de incidentie die in de literatuur wordt gerapporteerd meer dan 300 tot 100.000 mensen in één jaar bedraagt.

Diagnose en evaluatie van pleurale aandoeningen omvatten het gebruik van verschillende neuroimaging-apparaten, zoals thoraxfoto's, echografie, CT en MRI. Meestal worden thoraxfoto's algemeen aanvaard als het eerste middel om pleurale ziekten te identificeren, waarbij echografie, CT en MRI indien nodig een diagnostische bevestiging aanvullen of vormen.

In de afgelopen paar jaar is er een significante perceptuele verandering aangebracht in het gebruik van echografie van de borst om pleurale aandoeningen te diagnosticeren als onderdeel van opkomende en niet-opkomende situaties. Er is aangetoond dat echografie een uitstekend beeldvormend apparaat is voor de beoordeling van pleurale ziekten. Het wordt gebruikt als hulpmiddel in verschillende klinische situaties, zoals detectie van pneumothorax in noodsituaties, karakterisering van pleuravocht als eenvoudig of complex, het onderscheid tussen pleuraverdikking en pleuravochtlocaties, en meer. Naast het diagnostische aspect dient de echografie als middel om invasieve operaties in de borstkas uit te voeren. Het gebruik van echografie voor de thorax neemt toe, wat resulteert in een significante toename van de kwaliteit van de diagnose en een afname van de incidentie van verschillende complicaties.

De ultrasone test maakt gebruik van geluidsgolven om verschillende orgaanstructuren en -functies in gezondheid en ziekte te karakteriseren. De test maakt geen gebruik van ioniserende straling, dus het gebruik ervan is veiliger dan andere technieken zoals röntgenfoto's van de borstkas of CT-onderzoeken. De opgenomen en bekeken beelden in het ultrasone apparaat zijn real-time, zodat veranderingen kunnen worden gedetecteerd en geëvalueerd, wat in veel gevallen van invloed is op de uiteindelijke diagnose. De test is niet-invasief en er is geen contrastmiddel nodig dat stoffen bevat die een allergische reactie of nierfunctiestoornis kunnen veroorzaken. Bovendien is het instrumentarium gemakkelijker beschikbaar voor gebruik bij onderzoeken aan het bed, en voor de meeste tests zijn geen speciale voorbereidingen nodig, behalve in sommige gevallen tot 6 uur vasten.

Aan de andere kant heeft echografisch onderzoek ook zijn nadelen. De methode is sterk afhankelijk van de vaardigheid van de operator, dus er is veel ervaring vereist om voldoende kwaliteitsinformatie te produceren en een nauwkeurige diagnose te stellen. De echografie dringt niet goed door de botten en de kwaliteit van de test wordt aangetast door de aanwezigheid van lucht tussen de transducer en het te onderzoeken orgaan of gebied. Daarnaast is de kwaliteit van de test sterk afhankelijk van de medewerking van de proefpersoon tijdens de test, zoals houdingswisselingen en diep ademhalen.

De standaardtechniek voor het maken van een standaard 2D-echografiebeeld heet nu Delay and Sum (DAS). Signalen worden verzonden en ontvangen van een reeks elementen, en door elk signaal op de juiste afstand te plaatsen, kan de signaaluitlezing in de gewenste richting en afstand worden gericht. Door de behoefte aan veel sensoren is er een aanzienlijke hoeveelheid data nodig om het gewenste 2D-beeld te produceren. Dit feit leidt tot de noodzaak om sterkere processors te gebruiken, wat resulteert in een hoger energieverbruik, grotere en duurdere besturingssystemen. Door het aantal vereiste monsters te verlagen en tegelijkertijd de signalen effectief te verwerken, kan daarom een ​​hoogwaardig 2D-beeld worden gecreëerd, terwijl de last van onnodige gegevens wordt beperkt.

Het SAMPL-laboratorium van het Weizmann-instituut demonstreerde deze gegevensverwerkingsmethode met ultrasone tests op stationaire organen zoals de lever en de nieren, waar het aantal elementen dat nodig is voor signaalverwerking kon worden verminderd om een ​​ultrasoon beeld te creëren met een kleinere hoeveelheid informatie , zonder concessies te doen aan de beeldkwaliteit.

Doelstellingen van het medische experiment:

Het doel van deze studie is om de diagnose en karakterisering van pleurale ziekten door middel van echografie te verbeteren, met behulp van een nieuw algoritme dat is ontwikkeld in het SAMPL-laboratorium van het Weizmann Institute. Het doel is om een ​​snel en betrouwbaar diagnostisch hulpmiddel mogelijk te maken dat vergelijkbaar is met de ultrasone beeldvorming die tegenwoordig wordt gebruikt, terwijl de bemonsteringsfrequentie en het volume aan informatie worden geminimaliseerd.

Technische details:

B-modus, M-modus en Doppler-werking van een ultrasoon systeem kan ruimtelijke, temporele en bewegingsgerelateerde aspecten van pleurale compositie en dynamiek bieden. De standaardtechniek die wordt gebruikt door commerciële medische ultrasone systemen voor beeldvorming in B-modus is delay and sum (DAS) beamforming. DAS levert echter vaak beelden op met een beperkte resolutie en een beperkt contrast, die worden bepaald door de middenfrequentie en de diafragmagrootte van de ultrasone transducer. Een groot aantal elementen leidt tot een verbeterde resolutie, maar verhoogt tegelijkertijd de gegevensomvang en de systeemkosten vanwege de vereiste ontvangerelektronica per element. Het verminderen van ontvangstkanalen bij het produceren van beelden van hoge kwaliteit is dus van groot belang. Methoden en algoritmen die bij SAMPL zijn ontwikkeld, zoals het Convolutional Beamforming Algorithm (COBA), kunnen worden gebruikt om de laterale resolutie en het contrast aanzienlijk te verbeteren. COBA kan ook efficiënt worden geïmplementeerd met behulp van de snelle Fourier-transformatie. Op basis van dit concept werden sparse beamformers ontwikkeld, wat resulteerde in hetzelfde bundelpatroon als DAS en COBA terwijl er veel minder array-elementen werden gebruikt. Optimalisatie van het aantal elementen toont een geschatte vierkantswortelreductie in vereiste elementen, vergeleken met DAS. De prestaties van de voorgestelde methoden werden getest en gevalideerd met behulp van gesimuleerde gegevens, fantoomscans en in vivo cardiale gegevens. De techniek kan worden toegepast op detectie van pleurale aandoeningen, waardoor zowel een verbeterde beeldkwaliteit mogelijk is als een vermindering van het aantal elementen dat wordt gebruikt om een ​​beeld te produceren, en daardoor uiteindelijk goedkope, draagbare en draadloze ultrasone beeldvorming mogelijk maakt. Bovendien leveren de methoden die bij SAMPL zijn ontwikkeld beeldvorming op die volledig is gericht op de beoordeling van pleurale pathologieën, waardoor een eenvoudige interpretatie mogelijk is, zelfs door ongetrainde clinici. Gezamenlijk openen draadloze, goedkope en draagbare longbeeldvorming, samen met rechttoe rechtaan interpretatie, een schat aan mogelijkheden, variërend van snelle diagnose van pneumothorax in ambulante (trauma) omgevingen tot in landelijke klinieken en ontwikkelingslanden.

Apparatuur:

Het Verasonics Vantage ultrasone systeem is een ultrasoon systeem dat geschikt is voor menselijk onderzoek. Met dit systeem kunnen onbewerkte geluidsgolfgegevens worden opgehaald bij het uitvoeren van ultrasone scans.

Dataveiligheid:

Vrijwilligers worden gescand in het Haemek Medical Center (zoals beschreven in de sectie "Interventie") en de gegevens worden verwerkt in het SAMPL-laboratorium van het Weizmann Institute. Alle informatie die naar het laboratorium van het Weizmann Institute wordt verzonden, wordt vooraf gecodeerd, d.w.z. het verwijderen van identificerende informatie zoals naam, identificatienummer, adres en toewijzing van een serienummer door het medisch centrum, zodat de patiëntinformatie niet beschikbaar is voor SAMPL laboratorium.

Het overbrengen van de beelden van de beeldvormingstests zal gebeuren na het coderen van de geteste informatie in een Excel-bestand. Alleen de hoofdonderzoeker wordt blootgesteld aan voorgecodeerde informatie, die door de hoofdonderzoeker op een speciale computer wordt opgeslagen, beveiligd met een wachtwoord. De gecodeerde informatie zal continu worden verzonden naar het Weizmann Institute, om betrouwbare data-acquisitie en de mogelijkheid van real-time feedback aan de hoofdonderzoeker te garanderen ten gunste van gegevens van hogere kwaliteit die data-analyse mogelijk maken.