Real-time Volumetric Imaging for Minimally-Invasive Thoracic Interventions: A Deformable Phantom Study
تُظهر هذه الدراسة أن VoxelMap، وهو إطار عمل للتعلم العميق، يمكنه توليد صور حجمية ثلاثية الأبعاد دقيقة وفورية لحركة التنفس من مساقط فلوروسكوبية ثنائية الأبعاد باستخدام نظام C-arm سريري عبر نماذج وهمية قابلة للتشوه، مع اعتبار عدم اليقين في النموذج مؤشراً موثوقاً لدقة التنبؤ.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
داخل الصدر البشري، لا تسكن الرئتان أبدًا. فمع كل نفس، تتمدد الرئتان وتتقلصان، مما يغير من موضع الأوعية الدموية، والمجاري الهوائية، وأي أورام أو أدوات بداخلها. وبالنسبة للأطباء الذين يجرون عمليات دقيقة مثل الخزعات أو علاج الأورام، فإن هذه الحركة المستمرة تخلق مشكلة صعبة. فهم يعتمدون على التصوير الشعاعي التألقي (fluoroscopy)، وهي تقنية توفر فيديو مستمرًا في الوقت الفعلي لداخل الجسم، تمامًا مثل البث المباشر. ومع ذلك، فإن هذا الفيديو ثنائي الأبعاد فقط، وهو ظل مسطح يخفي العمق الحقيقي ثلاثي الأبعاد للتشريح. ولرؤية الشكل الكامل ومواقع الهياكل، يجب على الأطباء إيقاف الإجراء لإجراء مسح ثلاثي الأبعاد، مثل التصوير المقطعي بالحزمة المخروطية (CBCT). لكن هذه المسوحات هي لقطات زمنية ثابتة؛ فهي لا تتحدث مع تنفس المريض، وقد يكون التشريح قد تحرك بحلول الوقت الذي ينظر فيه الطبيب إليها. ولا توجد حاليًا طريقة للحصول على عرض ثلاثي الأبعاد يتحدث باستمرار للصدر أثناء عمل الطبيب باستخدام أجهزة الأشعة السينية القياسية.
لقد طور فريق من الباحثين طريقة جديدة لسد هذه الفجوة، باستخدام الذكاء الاصطناعي لإعادة بناء حجم ثلاثي الأبعاد متحرك من صور الأشعة السينية ثنائية الأبعاد القياسية. ويُظهر عملهم، الذي تم اختباره على نماذج فيزيائية للرئتين البشريتين، أنه من الممكن إنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد حية لتشريح الجهاز التنفسي دون مقاطعة الإجراء. النظام، الذي يُسمى "فوكسل ماب" (VoxelMap)، يتعلم التنبؤ بكيفية تشوه داخل الصدر مع كل نفس من خلال تحليل الظلال المتغيرة في فيديو الأشعة السينية. وإذا نجح هذا، فقد يسمح هذه التكنولوجيا للأطباء بتوجيه الأدوات عبر الرئتين باستخدام دليل ثلاثي الأبعاد يتحدث باستمرار، مما يحسن الدقة والسلامة دون الحاجة إلى مسوحات متكررة كثيفة الإشعاع.
اختبر الباحثون هذا النظام باستخدام نموذجين فيزيائيين مختلفين، أو ما يُعرف بالنماذج الشبحية (phantoms)، المصممة لمحاكاة الصدر البشري وحركة تنفسه. النموذج الأول، المعروف باسم "بيكسل برينت 4 دي" (PixelPrint4D)، كان نموذجًا لرئة واحدة بُني ليشبه رئة مريض محدد، مع تزويده بأورام وأوعية دموية محاكية. أما النموذج الثاني، المسمى "كاسبر" (Casper)، فكان نموذجًا أكثر شمولاً للجذع البشري بأكل، بما في ذلك الأضلاع وجدار الصدر الذي يتحرك بشكل واقعي. وُضع كلا النموذجين داخل جهاز أشعة سينية سريري، من النوع الموجود في غرف العمليات بالمستشفيات، وتمت برمجته للتنفس عبر دورة من عشر مراحل متميزة، من الشهيق العميق إلى الزفير الكامل. استخدم الفريق الجهاز لالتقاط آلاف الصور الشعاعية ثنائية الأبعاد بينما كانت النماذج تتحرك. ثم استخدموا هذه الصور لتدريب شبكة التعلم العميق، وهي نوع من أنواع الذكاء الاصطناعي، لفهم العلاقة بين ظلال الأشعة السينية المسطحة والشكل ثلاثي الأبعاد الكامن للرئتين.
ولضمان قدرة النظام على التعامل مع الطبيعة غير المتوقعة للتنفس في العالم الحقيقي، قام الباحثون بتدريب الذكاء الاصطناعي على معظم مراحل التنفس ولكنهم استبعدوا مرحلة واحدة عمدًا من بيانات التدريب. ثم طلبوا من النظام التنبؤ بالشكل ثلاثي الأبعاد للرئتين خلال تلك المرحلة المفقودة، باستخدام صور الأشعة السينية ثنائية الأبعاد الملتقطة في تلك اللحظة فقط. وقارنوا تنبؤ الذكاء الاصطناعي مقابل المسح ثلاثي الأبعاد الفعلي الذي أُجري للنموذل في تلك اللحظة نفسها لمعرفة مدى قرب التطابق. وأظهرت النت النتائج أن النظام يمكنه إعادة بناء التشريح ثلاثي الأبعاد بدقة. وفي كل اختبار، طابقت الصور المتوقعة المسوحات الحقيقية بدرجة عالية من التشابه، حيث كان أداء النظام أفضل في نموذج الجذع الأكثر تعقيدًا منه في نموذج الرئة الواحدة. وكانت الدقة عالية جدًا لدرجة أن الصور المتوقعة كانت تكاد لا تختلف عن "الحقيقة الأرضية" (ground truth) من حيث التفاصيل الهيكلية.
كانت السرعة لا تقل أهمية عن الدقة لكي تكون هذه التكنولوجيا مفيدة في سياق طبي مباشر. قاس الباحثون المدة التي يستغرقها الكمبيوتر لمعالجة صورة أشعة سينية واحدة وتوليد الحجم ثلاثي الأبعاد المقابل لها. أكمل النظام هذه المهمة في أقل من 15 مللي ثانية، وهي سرعة كافية لمواكبة التدفق المستمر للصور في إجراء طبي مباشر. وهذا يعني أن العرض ثلاثي الأبعاد يمكن نظريًا أن يتحدث بنفس سرعة التقاط جهاز الأشعة السينية لإطارات جديدة، مما يوفر دليلاً حياً وسلساً للطبيب.
وبعيدًا عن مجرد توليد الصورة، أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكان النظام إخبار الطبيب متى قد يكون مخطئًا. ففي التطبيقات الطبية، من الضروي معرفة متى يكون تنبؤ الكمبيوتر موثوقًا. ولاختبار ذلك، استخدموا تقنية تسمى "المجموعة العميقة" (deep ensemble)، حيث تعمل خمس نسخ مختلفة قليلاً من نموذج الذكاء الاصطناعي معًا لإجراء التنبؤ. ومن خلال النظر في مدى اختلاف هذه النماذج الخمسة مع بعضها البعض، استطاع النظام حساب مقياس لعدم اليقين. ووجدت الدراسة ارتباطًا واضحًا بين عدم اليقين هذا وبين الخطأ الفعلي في التنبؤ: فعندما تختلف النماذج أكثر، يكون التنبؤ أقل دقة. وهذا يشير إلى أن النظام يمكنه تقديم إشارة تحذير مدمجة، تنبه الطبيب ليكون أكثر حذرًا عندما يكون الذكاء الاصطناعي أقل ثقة في إعادة البناء الخاصة به.
تؤكد الدراسة أنه من الممكن استخلاص معلومات دقيقة ومتجددة باستمرار ثلاثية الأبعاد من صور الأشعة السينية ثنائية الأبعاد القياسية في سياق سريري. عمل النظام بفعالية عبر نموذجين فيزيائيين مختلفين تمامًا للصدر البشري، محافظًا على دقة وسرعة عاليتين. ورغم أن الدراسة أجريت على نماذج فيزيائية وليس على مرضى بشريين، إلا أنها تضع إثبات مفهوم حاسم. وأشار الباحثون إلى أن هناك حاجة لمزيد من العمل لاختبار النظام على بيانات مرضى حقيقيين ولضمان قدرته على التعامل مع كامل التباين في التنفس البشري والتشريح. ومع ذلك، فإن النتائج تثبت أن التكنولوجيا جاهزة للانتقال من المختبر نحو التجارب السريرية، مما يقدم مستقبلاً محتملاً حيث يمكن للأطباء رؤية المشهد ثلاثي الأبعاد المتحرك للصدر دون التوقف أبدًا عن الإجراء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.