Diagnose og klassifisering av pleurale sykdommer ved hjelp av ultralydkanaldata

Bakgrunn og begrunnelse:

Pleura er en dobbeltlags membran som omgir lungene. Den er anatomisk delt inn i Visceral Pleura, som er festet til den ytre delen av lungene, og til Parietal Pleura, som er festet til den indre siden av brystkassen. Patologiske prosesser som involverer Pleura er innlemmet under navnet "Pleurale sykdommer" som inkluderer blant annet pneumothorax, pleural effusjon og forskjellige svulster. Denne sykdomsgruppen er relativt utbredt, og som bevis på at forekomsten rapportert i litteraturen er over 300 til 100 000 personer på ett år.

Diagnose og evaluering av pleurasykdom involverer bruk av ulike nevroavbildningsenheter som røntgenbilder av thorax, ultralyd, CT og MR. Oftest er røntgen av thorax allment akseptert som det første middelet for å identifisere pleurasykdommer, med ultralyd, CT og MR som supplement til eller utgjør en diagnostisk bekreftelse om nødvendig.

I løpet av de siste årene har det blitt gjort en betydelig perseptuell endring i bruken av thorax ultralyd for å diagnostisere pleurale sykdommer som en del av nye og ingen nye situasjoner. Ultralyd har vist seg å være et utmerket bildeapparat for vurdering av pleurasykdommer. Den brukes som et hjelpemiddel i en rekke kliniske situasjoner, for eksempel pneumothorax-deteksjon i nødssituasjoner, karakterisering av pleuravæske som enkel eller kompleks, skillet mellom pleurafortykkelse og pleuravæskelokulasjoner, med mer. I tillegg til det diagnostiske aspektet, fungerer ultralyden som et middel for å utføre invasive operasjoner i brystet. Bruken av ultralydavbildning for brystet øker, noe som resulterer i en betydelig økning i kvaliteten på diagnosen og en nedgang i forekomsten av ulike komplikasjoner.

Ultralydtesten bruker lydbølger for å karakterisere ulike organstrukturer og funksjoner ved helse og sykdom. Testen involverer ikke bruk av ioniserende stråling, så bruken er tryggere enn andre teknikker som røntgen av thorax eller CT-undersøkelser. De innhentede og viste bildene i ultralydapparatet er sanntid, slik at endringer kan oppdages og evalueres, noe som i mange tilfeller påvirker den endelige diagnosen. Testen er ikke-invasiv og krever ikke bruk av kontrastmateriale som inneholder stoffer som kan forårsake en allergisk reaksjon eller nedsatt nyrefunksjon. I tillegg er instrumenteringen lettere tilgjengelig for bruk ved sengeundersøkelser, og de fleste tester krever ingen spesielle forberedelser bortsett fra inntil 6 timers faste i noen tilfeller.

På den andre siden har ultralydtesting også sine ulemper. Metoden er svært avhengig av operatørens dyktighet, så det kreves mye erfaring for å produsere tilstrekkelig kvalitetsinformasjon og for å stille en nøyaktig diagnose. Ultralyden trenger ikke godt gjennom bein, og kvaliteten på testen svekkes av at det er luft mellom transduseren og organet eller området som undersøkes. I tillegg er kvaliteten på testen svært avhengig av forsøkspersonens samarbeid under testen, som holdningsendringer og dyp pusting.

Standardteknikken for å lage et standard 2D ultralydbilde kalles nå Delay and Sum (DAS). Signaler sendes og mottas fra en rekke elementer, og ved passende avstand mellom hvert signal kan signalavlesningen fokuseres i ønsket retning og avstand. På grunn av behovet for mange sensorer, kreves det en betydelig mengde data for å produsere ønsket 2D-bilde. Dette fører til et behov for å bruke sterkere prosessorer, noe som resulterer i høyere energiforbruk, større og dyrere operativsystemer. Derfor kan en senking av antall nødvendige prøver samtidig som signalene behandles effektivt, lage et 2D-bilde av høy kvalitet, samtidig som man begrenser byrden med unødvendige data.

SAMPL-laboratoriet ved Weizmann-instituttet demonstrerte denne databehandlingsmetoden med ultralydprøver på stasjonære organer som lever og nyrer hvor antall elementer som trengs for signalbehandling kunne reduseres for å lage et ultralydbilde med et mindre volum av informasjon , samtidig som det ikke går på akkord med bildekvaliteten.

Mål for det medisinske eksperimentet:

Hensikten med denne studien er å forbedre diagnosen og karakteriseringen av pleurasykdommer ved hjelp av ultralyd, ved hjelp av en ny algoritme utviklet i SAMPL-laboratoriet ved Weizmann-instituttet. Målet er å muliggjøre et raskt og pålitelig diagnostisk verktøy som kan sammenlignes med ultralydavbildningen som brukes i dag, samtidig som prøvetakingshastigheten og informasjonsvolumet minimeres.

Tekniske detaljer:

B-modus, M-modus og Doppler-drift av et ultralydsystem kan gi romlige, tidsmessige og bevegelsesrelaterte aspekter av pleural komposisjon og dynamikk. Standardteknikken som brukes av kommersielle medisinske ultralydsystemer for B-modus avbildning er forsinkelse og sum (DAS) stråleforming. Imidlertid gir DAS ofte bilder med begrenset oppløsning og kontrast, som styres av senterfrekvensen og blenderåpningen til ultralydtransduseren. Et stort antall elementer fører til forbedret oppløsning, men øker samtidig datastørrelsen og systemkostnadene på grunn av mottakerelektronikk som kreves per element. Reduksjonen av mottakskanaler samtidig som det produseres bilder av høy kvalitet er derfor av stor betydning. Metoder og algoritmer utviklet ved SAMPL, slik som Convolutional Beamforming Algorithm (COBA), kan brukes for å oppnå betydelig forbedring av lateral oppløsning og kontrast. COBA kan også implementeres effektivt ved å bruke den raske Fourier-transformasjonen. Basert på dette konseptet ble sparsomme stråleformere utviklet, noe som resulterte i samme strålemønster som DAS og COBA mens det ble brukt langt færre array-elementer. Optimalisering av antall elementer viser en omtrentlig kvadratrotreduksjon i nødvendige elementer, sammenlignet med DAS. Ytelsen til de foreslåtte metodene ble testet og validert ved bruk av simulerte data, fantomskanninger og in vivo hjertedata. Teknikken kan brukes på deteksjon av pleurasykdom, noe som muliggjør både forbedret bildekvalitet og reduksjon av antall elementer som brukes til å produsere et bilde, og til slutt muliggjøre billig, bærbar og trådløs ultralydavbildning. I tillegg gir metodene utviklet ved SAMPL bildediagnostikk som er fullt dedikert til vurdering av pleurapatologier, noe som muliggjør enkel tolkning selv av utrente klinikere. Sammen åpner trådløs, billig og bærbar lungeavbildning, sammen med enkel tolkning, et vell av muligheter, som strekker seg fra rask diagnose av pneumothorax i ambulerende (traume) settinger så vel som i landlige klinikker og utviklingsland.

Utstyr:

Verasonics Vantage ultralydsystem er et ultralydsystem egnet for menneskelig forskningsbruk. Dette systemet gjør det mulig å hente rå lydbølgedata når du utfører ultralydskanning.

Datasikkerhet:

Frivillige vil bli skannet ved Haemek medisinske senter (Som beskrevet i avsnittet "Intervensjon"), og dataene vil bli behandlet ved SAMPL-laboratoriet ved Weizmann-instituttet. All informasjon som sendes til laboratoriet ved Weizmann-instituttet vil bli kodet på forhånd, det vil si fjerning av identifiserende informasjon som navn, identifikasjonsnummer, adresse og tildeling av serienummer av legesenteret, slik at pasientinformasjonen vil være utilgjengelig for SAMPL laboratorium.

Overføring av bildene fra bildetestene vil bli gjort etter å ha kodet den testede informasjonen i en Excel-fil. Bare primæretterforskeren vil bli utsatt for forhåndskodingsinformasjon, som vil lagres på en dedikert datamaskin av primæretterforskeren, passordbeskyttet. Den kodede informasjonen vil bli overført kontinuerlig til Weizmann Institute, for å sikre pålitelig datainnsamling og muligheten for sanntids tilbakemelding til hovedetterforskeren til fordel for data av høyere kvalitet som muliggjør dataanalyse.