Диагностика и классификация заболеваний плевры по данным ультразвукового канала

Предыстория и обоснование:

Плевра представляет собой двухслойную оболочку, окружающую легкие. Анатомически она делится на висцеральную плевру, прикрепляющуюся к наружной части легких, и париетальную плевру, прикрепляющуюся к внутренней стороне грудной клетки. Патологические процессы, затрагивающие плевру, объединяются под названием «плевральные заболевания», к которым относятся, среди прочего, пневмоторакс, плевральный выпот и различные опухоли. Эта группа заболеваний относительно широко распространена, и, как свидетельствует статистика, в литературе сообщается о заболеваемости от 300 до 100 000 человек в год.

Диагностика и оценка заболевания плевры включают использование различных устройств нейровизуализации, таких как рентгенография органов грудной клетки, УЗИ, КТ и МРТ. Чаще всего рентгенограммы грудной клетки широко используются в качестве первого средства выявления заболеваний плевры, а УЗИ, КТ и МРТ дополняют или составляют диагностическое подтверждение, если это необходимо.

За последние несколько лет произошли значительные изменения в восприятии использования УЗИ органов грудной клетки для диагностики заболеваний плевры как в экстренных, так и в несрочных ситуациях. Было показано, что ультразвук является отличным визуализирующим устройством для оценки заболеваний плевры. Он используется в качестве вспомогательного средства в различных клинических ситуациях, таких как обнаружение пневмоторакса в экстренных ситуациях, характеристика плевральной жидкости как простой или сложной, различие между утолщением плевры и локализацией плевральной жидкости и т. д. Помимо диагностического аспекта УЗИ служит средством проведения инвазивных операций на грудной клетке. Расширяется использование УЗИ органов грудной клетки, что приводит к значительному повышению качества диагностики и снижению частоты различных осложнений.

Ультразвуковой тест использует звуковые волны для характеристики структуры и функций различных органов в норме и при заболеваниях. В тесте не используется ионизирующее излучение, поэтому его использование безопаснее, чем другие методы, такие как рентген грудной клетки или компьютерная томография. Получаемые и просматриваемые изображения в ультразвуковом аппарате поступают в режиме реального времени, что позволяет обнаруживать и оценивать изменения, что во многих случаях влияет на окончательный диагноз. Тест является неинвазивным и не требует использования контрастного вещества, содержащего вещества, которые могут вызвать аллергическую реакцию или нарушение функции почек. Кроме того, инструменты более доступны для использования при прикроватных обследованиях, и большинство тестов не требуют специальной подготовки, за исключением в некоторых случаях голодания до 6 часов.

С другой стороны, у ультразвукового исследования есть и свои недостатки. Этот метод сильно зависит от навыков оператора, поэтому для получения достаточно качественной информации и постановки точного диагноза требуется большой опыт. Ультразвук плохо проникает через кости, а качество теста ухудшается из-за наличия воздуха между датчиком и исследуемым органом или областью. Кроме того, качество теста сильно зависит от сотрудничества субъекта во время теста, такого как изменение позы и глубокое дыхание.

Стандартный метод создания стандартного двухмерного ультразвукового изображения теперь называется задержкой и суммой (DAS). Сигналы передаются и принимаются от ряда элементов, и за счет соответствующего интервала между каждым сигналом считывание сигнала может быть сфокусировано в требуемом направлении и на требуемом расстоянии. Из-за необходимости использования множества датчиков для создания желаемого 2D-изображения требуется значительный объем данных. Этот факт приводит к необходимости использования более мощных процессоров, что приводит к более высокому энергопотреблению, более крупным и дорогим операционным системам. Таким образом, уменьшение количества требуемых отсчетов при эффективной обработке сигналов позволяет создавать высококачественное 2D-изображение, уменьшая нагрузку на ненужные данные.

Лаборатория SAMPL в Институте Вейцмана продемонстрировала этот метод обработки данных с помощью ультразвуковых тестов на стационарных органах, таких как печень и почки, где количество элементов, необходимых для обработки сигнала, можно было уменьшить для создания ультразвукового изображения с меньшим объемом информации. , без ущерба для качества изображения.

Задачи медицинского эксперимента:

Целью данного исследования является улучшение диагностики и характеристики заболеваний плевры с помощью УЗИ с использованием нового алгоритма, разработанного в лаборатории SAMPL в Институте Вейцмана. Цель состоит в том, чтобы обеспечить быстрый и надежный диагностический инструмент, сравнимый с используемой сегодня ультразвуковой визуализацией, при минимизации частоты дискретизации и объема информации.

Технические детали:

В-режим, М-режим и допплеровская работа ультразвуковой системы могут обеспечить пространственные, временные и связанные с движением аспекты состава и динамики плевры. Стандартным методом, используемым коммерческими медицинскими ультразвуковыми системами для визуализации в B-режиме, является формирование луча с задержкой и суммой (DAS). Однако DAS часто дает изображения с ограниченным разрешением и контрастностью, которые определяются центральной частотой и размером апертуры ультразвукового датчика. Большое количество элементов приводит к улучшению разрешения, но одновременно увеличивает размер данных и стоимость системы из-за того, что для каждого элемента требуется электроника приемника. Таким образом, большое значение имеет сокращение приемных каналов при получении высококачественных изображений. Методы и алгоритмы, разработанные в SAMPL, такие как сверточный алгоритм формирования луча (COBA), могут использоваться для достижения значительного улучшения бокового разрешения и контраста. COBA также можно эффективно реализовать с помощью быстрого преобразования Фурье. На основе этой концепции были разработаны разреженные формирователи луча, в результате чего была получена та же диаграмма направленности, что и в DAS и COBA, при использовании гораздо меньшего количества элементов массива. Оптимизация количества элементов показывает приблизительное уменьшение количества требуемых элементов на квадратный корень по сравнению с DAS. Эффективность предлагаемых методов была протестирована и подтверждена с использованием смоделированных данных, фантомных сканирований и кардиологических данных in vivo. Этот метод может быть применен для обнаружения заболеваний плевры, позволяя как улучшить качество изображения, так и уменьшить количество элементов, используемых для создания изображения, и, следовательно, в конечном итоге облегчить дешевую, портативную и беспроводную ультразвуковую визуализацию. Кроме того, методы, разработанные в SAMPL, обеспечивают визуализацию, полностью предназначенную для оценки плевральных патологий, что позволяет проводить простую интерпретацию даже неподготовленными клиницистами. В совокупности беспроводная, дешевая и портативная визуализация легких вместе с простой интерпретацией открывают множество возможностей, начиная от быстрой диагностики пневмоторакса в амбулаторных (травматических) условиях, а также в сельских клиниках и развивающихся странах.

Оборудование:

Ультразвуковая система Verasonics Vantage — это ультразвуковая система, подходящая для использования в исследованиях человека. Эта система позволяет извлекать необработанные данные о звуковых волнах при выполнении ультразвукового сканирования.

Безопасность данных:

Добровольцы будут сканироваться в медицинском центре Haemek (как подробно описано в разделе «Вмешательство»), а данные будут обрабатываться в лаборатории SAMPL в Институте Вейцмана. Вся информация, передаваемая в лабораторию Института Вейцмана, будет предварительно закодирована, т.е. будет удалена идентифицирующая информация, такая как имя, идентификационный номер, адрес и присвоенный медицинским центром серийный номер, так что информация о пациенте будет недоступна для SAMPL. лаборатория.

Передача изображений из тестов визуализации будет выполняться после кодирования проверенной информации в файле Excel. Только главный исследователь будет иметь доступ к информации предварительного кодирования, которая будет храниться на специальном компьютере главного исследователя, защищенном паролем. Закодированная информация будет непрерывно передаваться в Институт Вейцмана, чтобы обеспечить надежный сбор данных и возможность обратной связи в режиме реального времени с главным исследователем в пользу данных более высокого качества, позволяющих проводить анализ данных.