Экспериментальное моделирование артефактов изображений при ультразвуковом исследовании легких человека

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Для анализа механизмов формирования артефактов на ультразвуковом изображении легких человека (так называемых B-линий) были созданы экспериментальные фантомы, состоящие из слоя силикона для акустической имитации межреберных мышц, слоя в виде мелкопористой противоожоговой губки, имитирующего здоровую или отечную ткань легких, фрагмента губки, сокового мешочка мандарина и капли УЗИ геля, имитирующих структуры легочной ткани. Ультразвуковые (УЗ) изображения регистрировались линейным ультразвуковым датчиком L7-4, подключенным к УЗ сканеру Verasonics V-1. Дополнительно было построено изображение находящегося на поверхности воды сокового мешочка мандарина, используя метод синтезированной апертуры с применением фокусированного пьезоэлектрического преобразователя Olympus V307. Полученные эхограммы были сопоставлены с изображениями, регистрируемыми в клинических случаях патологий легочной ткани. Показано, что возникновение B-линий связано с эффектами множественной реверберации в заполненных жидкостью структурах, имитирующих ткани легких, при этом их яркость и ширина на эхограмме зависят от характерного размера и внутренней структуры фантома.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. Д. Сорокин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: srknstepan@gmail.com

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

М. В. Рябков

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: srknstepan@gmail.com

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

С. А. Цысарь

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: srknstepan@gmail.com

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

О. А. Сапожников

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: srknstepan@gmail.com

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

В. А. Хохлова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: srknstepan@gmail.com

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

Список литературы

  1. Макаренков А.П., Рудницкий А.Г. Возможности диагностики легочных патологий при двухканальной обработке дыхательных шумов человека // Акуст. журн. 1995. Т. 41. № 2. С. 272–277.
  2. Khokhlova T.D., Thomas G.P., Hall J., Steinbock K., Thiel J., Cunitz B.W., Bailey M.R., Anderson L., Kessler R., Hall M.K., et.al. Development of an automated ultrasound signal indicator of lung interstitial syndrome // J. Ultrasound Med. 2024. V. 43(3). P. 513–523.
  3. Mika S., Gola W., Gil-Mika M., Wilk M., Misiołek H. Overview of artificial intelligence in point-of-care ultrasound. New horizons for respiratory system diagnoses // Anaesthesiol Intensive Ther. 2024. V. 56(1). P. 1–8.
  4. Mento F., Demi L. Dependence of lung ultrasound vertical artifacts on frequency, bandwidth, focus and angle of incidence: An in vitro study // J. Acoust. Soc. Am. 2021. V. 150(6). P. 4075.
  5. Raju S., Ghosh S., Mehta A.C. Chest CT signs in pulmonary disease: a pictorial review // Chest. 2017. V. 151(6). P. 1356–1374.
  6. Gruden J.F., Naidich D.P., Machnicki S.C., Cohen S.L., Girvin F., Raoof S. An algorithmic approach to the interpretation of diffuse lung disease on chest CT imaging: a theory of almost everything // Chest. 2020. V. 157(3). P. 612–635.
  7. Volpicelli G. Lung ultrasound B-lines in interstitial lung disease: moving from diagnosis to prognostic stratification // Chest. 2020. V. 158(4). P. 1323–1324.
  8. Berce V., Tomazin M., Gorenjak M., Berce T., Lovrenčič B. The usefulness of lung ultrasound for the aetiological diagnosis of community-acquired pneumonia in children // Sci Rep. 2019. V. 9(1). P. 17957.
  9. Di Serafino M., Notaro M., Rea G., Iacobellis F., Paoli V.D., Acampora C., Ianniello S., Brunese L., Romano L., Vallone G. The lung ultrasound: facts or artifacts? In the era of COVID-19 outbreak // Radiol. Med. 2020. V. 125. P. 738–753.
  10. Lichtenstein D. BLUE-protocol and FALLS-protocol: two applications of lung ultrasound in the critically ill // Chest. 2015. V. 147(6). P. 1659–1670.
  11. Митьков В.В., Сафонов Д.В., Митькова М.Д., Алехин М.Н., Катрич А.Н., Кабин Ю.В., Ветшева Н.Н., Худорожкова Е.Д., Лахин Р.Е., Кадрев А.В., и др. Консенсусное заявление РАСУДМ об ультразвуковом исследовании легких в условиях пандемии COVID-19 (версия 2) // Ультразвуковая и функциональная диагностика. 2020. Т. 1. С. 46–77.
  12. Lichtenstein D., Mézière G., Biderman P., Gepner A., Barré O. The comet-tail artifact. An ultrasound sign of alveolar-interstitial syndrome // Am. J. Respir. Crit. Care Med. 1997. V. 156(5). P. 1640–1646.
  13. Soldati G., Smargiassi A., Demi L., Inchingolo R. Artifactual lung ultrasonography: it is a matter of traps, order, and disorder // Appl. Sci. 2020. V. 10(5). P. 1570.
  14. Demi M., Prediletto R., Soldati G., Demi L. Physical mechanisms providing clinical information from ultrasound lung images: hypotheses and early confirmations // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2020. V. 67(3). P. 612–623.
  15. Kameda T., Kamiyama N., Kobayashi H., Kanayama Y., Taniguchi N. Ultrasonic B-line-like artifacts generated with simple experimental models provide clues to solve key issues in B-lines // Ultrasound Med. Biol. 2019. V. 45(7). P. 1617–1626.
  16. Soldati G., Giunta V., Sher S., Melosi F., Dini C. “Synthetic” comets: a new look at lung sonography // Ultrasound Med. Biol. 2011. V. 37(11). P. 1762–1770.
  17. Hansell D.M., Bankier A.A., MacMahon H., McLoud T.C., Müller N.L., Remy J. Fleischner Society: glossary of terms for thoracic imaging // Radiology. 2008. V. 246(3). P. 697–722.
  18. Hyde D.M., Tyler N.K., Putney L.F., Singh P., Gundersen H.J. Total number and mean size of alveoli in mammalian lung estimated using fractionator sampling and unbiased estimates of the Euler characteristic of alveolar openings // The Anatomical Record. 2004. V. 277A(1). P. 216–226.
  19. Jingwen Q., Maofa G., Xiaoyu W. Harmonic analysis based on Blackman–Harris self-convolution window // Applied Mechanics and Materials. 2013. V. 330. P. 977–980.
  20. Sadjadi S.O., Hasan T., Hansen J.H.L. Mean Hilbert Envelope Coefficients (MHEC) for robust speaker recognition // 13th Annual Conf. of the Int. Speech Communication Association 2012, INTERSPEECH 2012. V. 2. P. 1694–1697.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) — Схема установки для наблюдения артефактов изображений для различных фантомов легочной ткани: 1 — фантом, 2 — слой силикона, 3 — УЗ датчик L7-4 (ATL, Bothell, США). (б) — Схема установки для регистрации сигнала пьезоизлучателя, отраженного от разных точек поверхности воды и фантома отечной области легких в виде сокового мешочка мандарина. УЗ преобразователь OlympusV307 перемещается параллельно поверхности воды

Скачать (502KB)
Метаданные
3. Рис. 2. (а) — Снимок сухой мелкопористой губки под микроскопом (Stemi 2000 фирмы Carl Zeiss, Германия). (б) — Характерные размеры пор губки соизмеримы со структурными элементами человеческих легких, а именно с альвеолами (0.2 мм); характерный размер сокового мешочка мандарина (3 × 5 мм) соответствует размерам ацинуса. (в) — Фрагмент влажной губки и капля УЗ геля соизмеримы с долькой легкого (1–2 см).

Скачать (3MB)
Метаданные
4. Рис. 3. Фотографии фантомов, использованных в эксперименте: (а) – мелкопористая противоожоговая губка (толщина – 8 мм); (б) – влажный фрагмент губки (7 мм × 10 мм); (в) – соковый мешочек мандарина (3 мм × 5 мм); (г) – капля УЗ геля (6 мм × 7 мм).

Скачать (3MB)
Метаданные
5. Рис. 5. УЗ изображения, полученные в режиме В-моды (УЗ датчик L7-4 расположен сверху) через слой силикона: (а) — полностью сухая мелкопористая губка; (б) — полностью влажная губка, (в) — слой воды, толщина которого равна толщине губки (8 мм). Сплошной красной стрелкой отмечена эхогенная линия, соответствующая отражению от границы силиконового слоя с губкой, штриховой красной стрелкой отмечено первое переотражение в указанном слое. Желтая стрелка указывает на слабое отражение от тыльной границы полностью влажной губки (б). Синяя сплошная стрелка соответствует границе воды с воздухом, а синие штриховые стрелки отмечают многократные переотражения в слое воды (в).

Скачать (2MB)
Метаданные
6. Рис. 6. В-линии на УЗ изображениях: (а) — двух капель воды на силиконовом слое в отсутствие губки; (б) — сразу же после сорбции капель сухой губкой, (в) — по прошествии 60 с после помещения губки на капли. УЗ датчик находится сверху. Сплошной красной стрелкой отмечена эхогенная полоса, соответствующая отражению от границы силиконового слоя с губкой; штриховая красная стрелка отмечает первое переотражение в указанном слое.

Скачать (2MB)
Метаданные
7. Рис. 7. Ультразвуковые изображения фантомов легочной ткани, расположенных на поверхности силиконового слоя (рис. 1а): (a) — влажного фрагмента губки; (б) — сокового мешочка мандарина; (в) — капли УЗИ геля. Ультразвуковой датчик находится сверху. Сплошной красной стрелкой отмечена эхогенная линия, соответствующая отражению от границы силиконового слоя с губкой, штриховая красная стрелка указывает на первое переотражение в указанном слое. Пунктирными контурами проиллюстрированы характерные геометрические контуры и размеры фантомов

Скачать (2MB)
Метаданные
8. Рис. 8. (а) — RAW (голубой) — исходный сигнал, filtered (оранжевый) — сигнал после фильтрации окном Блэкмана–Харриса с 0.1 до 20 МГц, envelope (красный) — огибающая сигнала, полученная с помощью преобразования Гильберта после отсечения нулевой частоты. (б) — Прямоугольный скан сокового мешочка мандарина на поверхности воды. Красной линией отмечен срез на плоскости, вдоль которой строилось изображение сокового мешочка в режиме В-моды. (в) — B-скан, на котором красный штриховой контур соответствует форме, размерам и расположению сокового мешочка

Скачать (2MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025