Diagnoza i klasyfikacja chorób opłucnej za pomocą danych kanału ultradźwiękowego

Tło i uzasadnienie:

Opłucna to dwuwarstwowa błona otaczająca płuca. Anatomicznie dzieli się na opłucną trzewną, która jest przyczepiona do zewnętrznej części płuc, oraz opłucną ciemieniową, która jest przyczepiona do wewnętrznej strony klatki piersiowej. Procesy patologiczne obejmujące opłucną są objęte nazwą „choroby opłucnej”, do których zalicza się między innymi odmę opłucnową, wysięk opłucnowy i różne nowotwory. Ta grupa chorób jest stosunkowo powszechna, co świadczy o tym, że częstość występowania opisywana w literaturze wynosi od 300 do 100 000 osób w ciągu jednego roku.

Diagnoza i ocena choroby opłucnej wymaga użycia różnych urządzeń do neuroobrazowania, takich jak radiogramy klatki piersiowej, ultrasonografia, tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny. Najczęściej zdjęcie RTG klatki piersiowej jest powszechnie akceptowane jako pierwsza metoda rozpoznawania chorób opłucnej, a USG, CT i MRI uzupełniają lub stanowią w razie potrzeby potwierdzenie diagnozy.

W ciągu ostatnich kilku lat nastąpiła znacząca percepcyjna zmiana w stosowaniu ultrasonografii klatki piersiowej do diagnozowania chorób opłucnej w ramach nagłych i nie nagłych sytuacji. Wykazano, że ultradźwięki są doskonałym narzędziem obrazowania do oceny chorób opłucnej. Jest stosowany pomocniczo w różnych sytuacjach klinicznych, takich jak wykrywanie odmy opłucnowej w sytuacjach nagłych, charakteryzacja płynu opłucnowego jako prostego lub złożonego, rozróżnienie między pogrubieniem opłucnej a umiejscowieniem płynu opłucnowego i nie tylko. Oprócz aspektu diagnostycznego ultrasonografia służy również do przeprowadzania inwazyjnych operacji w obrębie klatki piersiowej. Zastosowanie ultrasonografii klatki piersiowej jest coraz powszechniejsze, co skutkuje znacznym wzrostem jakości diagnostyki i spadkiem częstości występowania różnych powikłań.

Badanie ultrasonograficzne wykorzystuje fale dźwiękowe do scharakteryzowania różnych struktur i funkcji narządów w zdrowiu i chorobie. Badanie nie wiąże się z użyciem promieniowania jonizującego, dlatego jego użycie jest bezpieczniejsze niż inne techniki, takie jak RTG klatki piersiowej czy badania TK. Pozyskiwane i oglądane obrazy w aparacie ultrasonograficznym są w czasie rzeczywistym, dzięki czemu zmiany mogą być wykrywane i oceniane, co w wielu przypadkach wpływa na ostateczną diagnozę. Badanie jest nieinwazyjne i nie wymaga użycia środka kontrastowego zawierającego substancje mogące wywołać reakcję alergiczną lub upośledzenie funkcji nerek. Ponadto instrumentarium jest łatwiej dostępne do badań przyłóżkowych, a większość badań nie wymaga specjalnych przygotowań, z wyjątkiem w niektórych przypadkach do 6 godzin na czczo.

Z drugiej strony badanie ultrasonograficzne ma również swoje wady. Metoda w dużym stopniu zależy od umiejętności operatora, więc uzyskanie wystarczającej jakości informacji i postawienie dokładnej diagnozy wymaga dużego doświadczenia. Ultradźwięki słabo przenikają przez kości, a na jakość badania wpływa obecność powietrza między głowicą a badanym narządem lub obszarem. Ponadto jakość testu w dużym stopniu zależy od współpracy badanego podczas testu, takiej jak zmiany postawy i głębokie oddychanie.

Standardowa technika tworzenia standardowego obrazu ultrasonograficznego 2D nosi obecnie nazwę Delay and Sum (DAS). Sygnały są nadawane i odbierane z szeregu elementów, a dzięki odpowiedniemu rozstawieniu każdego sygnału można zogniskować odczyt sygnału w wymaganym kierunku i odległości. Ze względu na konieczność stosowania wielu czujników do wytworzenia pożądanego obrazu 2D wymagana jest znaczna ilość danych. Fakt ten prowadzi do konieczności stosowania mocniejszych procesorów, co skutkuje większym zużyciem energii, większymi i droższymi systemami operacyjnymi. Dlatego zmniejszenie liczby wymaganych próbek przy jednoczesnym efektywnym przetwarzaniu sygnałów pozwala na tworzenie wysokiej jakości obrazu 2D, jednocześnie zmniejszając obciążenie zbędnymi danymi.

Laboratorium SAMPL w Instytucie Weizmanna zademonstrowało tę metodę przetwarzania danych za pomocą badań ultrasonograficznych na narządach stacjonarnych, takich jak wątroba i nerki, gdzie można było zmniejszyć liczbę elementów potrzebnych do przetwarzania sygnału w celu stworzenia obrazu ultrasonograficznego o mniejszej objętości informacji , nie tracąc przy tym jakości obrazu.

Cele eksperymentu medycznego:

Celem tego badania jest poprawa diagnostyki i charakterystyki chorób opłucnej za pomocą ultradźwięków, przy użyciu nowego algorytmu opracowanego w laboratorium SAMPL w Instytucie Weizmanna. Celem jest umożliwienie szybkiego i niezawodnego narzędzia diagnostycznego, porównywalnego z obrazowaniem ultrasonograficznym stosowanym obecnie, przy jednoczesnej minimalizacji częstotliwości próbkowania i objętości informacji.

Szczegóły techniczne:

Tryb B, tryb M i tryb Dopplera systemu ultradźwiękowego mogą zapewnić przestrzenne, czasowe i związane z ruchem aspekty składu i dynamiki opłucnej. Standardową techniką stosowaną przez komercyjne medyczne systemy ultrasonograficzne do obrazowania w trybie B jest formowanie wiązki z opóźnieniem i sumą (DAS). Jednak DAS często daje obrazy o ograniczonej rozdzielczości i kontraście, które są regulowane przez częstotliwość środkową i rozmiar apertury przetwornika ultradźwiękowego. Duża liczba elementów prowadzi do poprawy rozdzielczości, ale jednocześnie zwiększa rozmiar danych i koszt systemu ze względu na elektronikę odbiornika wymaganą na element. Redukcja kanałów odbiorczych przy jednoczesnym wytwarzaniu obrazów o wysokiej jakości ma zatem ogromne znaczenie. Metody i algorytmy opracowane w SAMPL, takie jak Convolutional Beamforming Algorithm (COBA), mogą być wykorzystane do osiągnięcia znacznej poprawy rozdzielczości bocznej i kontrastu. COBA można również wydajnie zaimplementować przy użyciu szybkiej transformaty Fouriera. W oparciu o tę koncepcję opracowano rzadkie układy kształtujące wiązkę, w wyniku czego uzyskano taki sam wzór wiązki jak DAS i COBA, przy użyciu znacznie mniejszej liczby elementów macierzy. Optymalizacja liczby elementów pokazuje przybliżoną pierwiastkową redukcję wymaganych elementów w porównaniu z DAS. Wydajność proponowanych metod została przetestowana i zweryfikowana przy użyciu danych symulowanych, skanów fantomowych i danych kardiologicznych in vivo. Technika ta może być zastosowana do wykrywania chorób opłucnej, pozwalając zarówno na poprawę jakości obrazu, jak i zmniejszenie liczby elementów użytych do wytworzenia obrazu, a tym samym ostatecznie ułatwiając tanie, przenośne i bezprzewodowe obrazowanie ultrasonograficzne. Ponadto metody opracowane w SAMPL dają obrazowanie, które jest w pełni przeznaczone do oceny patologii opłucnej, umożliwiając prostą interpretację nawet przez nieprzeszkolonych klinicystów. Bezprzewodowe, tanie i przenośne obrazowanie płuc wraz z prostą interpretacją otwiera wiele możliwości, począwszy od szybkiej diagnozy odmy opłucnowej w warunkach ambulatoryjnych (urazowych), a także w wiejskich klinikach i krajach rozwijających się.

Sprzęt:

System ultradźwiękowy Verasonics Vantage to system ultradźwiękowy odpowiedni do badań na ludziach. System ten umożliwia pobieranie surowych danych fal dźwiękowych podczas wykonywania badania ultrasonograficznego.

Ochrona danych:

Ochotnicy zostaną przeskanowani w Centrum Medycznym Haemek (jak opisano szczegółowo w sekcji „Interwencja”), a dane zostaną przetworzone w laboratorium SAMPL w Instytucie Weizmanna. Wszystkie informacje przesyłane do laboratorium w Instytucie Weizmanna zostaną wcześniej zaszyfrowane, tj. usunięte informacje identyfikujące, takie jak imię i nazwisko, numer identyfikacyjny, adres i nadanie numeru seryjnego przez centrum medyczne, dzięki czemu dane pacjenta będą niedostępne dla SAMPL laboratorium.

Przeniesienie obrazów z badań obrazowych nastąpi po zakodowaniu badanych informacji w pliku Excel. Tylko główny badacz będzie narażony na wstępne kodowanie informacji, które będą przechowywane na dedykowanym komputerze przez głównego badacza, chronionym hasłem. Zakodowane informacje będą przesyłane w sposób ciągły do ​​Instytutu Weizmanna, w celu zapewnienia rzetelnego pozyskiwania danych oraz możliwości przekazywania informacji zwrotnej w czasie rzeczywistym do kierownika projektu na korzyść danych wyższej jakości, umożliwiających analizę danych.