《Diagnostics》：Tomographic 3D Ultrasound for Thyroid Volumetry—A Comparison Between Multiplanar 2D and 3D Imaging Methods
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背景：准确的甲状腺体积测量对于诊断和监测甲状腺疾病以及确定放射性碘治疗剂量至关重要。应用于二维B型超声(Bmode-2D-US)的椭球法是最主要的临床方法，但已知其存在较高的观察者依赖性和有限的准确性。电磁跟踪三维超声(3D-US)是一种有前景的无辐射替代方案
背景：准确的甲状腺体积测量对于诊断和监测甲状腺疾病以及确定放射性碘治疗剂量至关重要。应用于二维B型超声(Bmode-2D-US)的椭球法是最主要的临床方法，但已知其存在较高的观察者依赖性和有限的准确性。电磁跟踪三维超声(3D-US)是一种有前景的无辐射替代方案，但在受控条件下跨模态的直接比较仍然很少。方法：研究人员构建了一个定制的人体仿生多模态体模，包含六个从分割磁共振成像(MRI)数据塑造的解剖学真实的甲状腺叶样本，其真值体积通过悬液法和三维表面扫描验证。六名不同经验水平的观察者对样本使用二维B型超声(Bmode-2D-US)、电磁跟踪三维超声(EM-3D-US)、惯性测量单元跟踪三维超声(IMU-3D-US)和光学跟踪三维超声(Opt-3D-US)，以及计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)进行体积测量。使用改良的Bland–Altman分析评估观察者间和观察者内的变异性。结果：所有三种三维超声(3D-US)方法相较于二维B型超声(Bmode-2D-US)均降低了观察者间和观察者内的变异性，达到与计算机断层扫描(CT)相当且低于磁共振成像(MRI)的变异性。三维超声(3D-US)、计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)的平均准确度相似。二维B型超声(Bmode-2D-US)显示出强烈的观察者依赖性，操作者经验对该方法的影响最为显著。在跟踪方法中，电磁跟踪三维超声(EM-3D-US)和光学跟踪三维超声(Opt-3D-US)对操作者运动质量的敏感性最低，而惯性测量单元跟踪三维超声(IMU-3D-US)表现出稍高的敏感性。结论：在本基于体模的评估中，对于不同经验水平的操作者，跟踪三维超声(3D-US)作为一种有前景的无辐射替代传统二维B型超声(Bmode-2D-US)用于甲状腺体积测定的方法，提高了重现性和准确性。
该研究发表于《Diagnostics》。研究背景方面，甲状腺叶和结节体积是甲状腺病理常见的临床指标，用于诊断和治疗，精确的体积测定可识别随时间的变化并用于热消融或高强度聚焦超声等介入治疗的多个阶段，且放射性碘治疗剂量直接依赖于甲状腺体积，因此绝对准确度很重要。目前临床最常用的是二维B型超声（Bmode-2D-US）的椭球法，该方法在两个垂直平面测量径线来估算体积，但报道显示其变异度高且高度依赖测量临床医生，临床上只有测得增长50%才被认为显著，小于此阈值的增长不能可靠解释为实际增长，因随访差异可能仅来自测量变异性，需提高精度和准确度以改善决策，但受限于标准体积估计的低质量，必须改进这些技术的准确性和重现性。计算机断层扫描（CT）虽成熟但有辐射暴露和成本限制，磁共振成像（MRI）无电离辐射但更昂贵且有额外排除标准，三维跟踪超声成像（3D-US）显示出更适合甲状腺成像体积测定的潜力。现有研究局限在于同一研究中比较的容积技术数量有限，体模研究因构建多模态体模复杂性受限，患者研究因伦理无法对同一患者做大量不必要成像，还有设置复杂性、技术同步可用性及观察者完成时间长等原因；患者研究无法直接获得真实甲状腺体积参考值除非切除甲状腺，但完全切除未必可行且体内外测量边界可能不匹配；既往体模用流体填充气球虽能准确填充参考体积但表面光滑似椭球，可能使椭球法结果优于真实解剖形状的预期，尽管有此偏倚仍发现二维B型超声准确度低于三维方法。因此研究人员旨在比较多种医学成像技术的甲状腺叶体积测量质量，提供所有模态及三维超声跟踪技术的体积准确度对比真值，报告二维B型超声和三维超声（所有变体）的观察者内和观察者间变异性，为此创建含多个解剖样本的多模态甲状腺体模以获取高质量真值体积和表面、保持稳定体积并避免患者不必要的成像和辐射暴露。
为开展研究用到的主要关键技术方法包括：构建人体仿生多模态甲状腺体模，从开源SegThy数据集的分割MRI数据构造三维打印模具塑造六个甲状腺叶样本，用悬液法和三维扫描验证真值体积；使用Mindray M9超声系统配L12-4S探头进行二维B型超声（Bmode-2D-US）椭球法测量；采用3D Guidance trakSTAR进行电磁跟踪三维超声（EM-3D-US），PIUR G3传感器进行惯性跟踪三维超声（IMU-3D-US），Polaris Vicra位姿传感器进行光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）；用NAEOTOM Alpha行CT扫描，MAGNETOM Aera 1.5 T行MRI扫描；六名观察者（四名放射科医生、两名核医学甲状腺超声专家）进行测量，用PIUR tUS 3.2.1和3D Slicer 5.03进行分割；用改良Bland–Altman分析及非参数配对比较进行统计分析。
研究结果部分保留小标题并说明如下：
3.1. Difference Plot
研究人员通过绝对差异ΔV和标准化差异%ΔV的散点图比较各模态测量值与真值，结果显示二维B型超声（Bmode-2D-US）观察者间变异最高，超声用户组（UU）倾向于高估，甲状腺专家组（TE）倾向于低估；电磁跟踪三维超声（EM-3D-US）和光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）略有高估，惯性测量单元跟踪三维超声（IMU-3D-US）的UU组均值最接近真值，CT和MRI与真值高度一致，31天后重复真值测量显示强一致性，平均差异-0.16 cm3。
3.2. Formal Statistical Comparisons
研究人员对每样本平均ΔV进行配对Wilcoxon符号秩检验，发现惯性测量单元跟踪三维超声（IMU-3D-US）、CT和MRI彼此无显著差异，三者均与二维B型超声（Bmode-2D-US）、电磁跟踪三维超声（EM-3D-US）、光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）在所有九项比较中有显著差异；单样本Wilcoxon检验显示除MRI外其余五模态均有统计上可检测的系统偏差，MRI中位ΔV为+0.04 cm3，p=0.688；两名重复观察者中UU2在惯性测量单元跟踪三维超声（IMU-3D-US）和光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）两次会话间有显著差异，TE2无任何模态显著差异。
3.3. X-Y Plot
研究人员将各模态测量体积对真值体积作图，观察到测量值与真值范围的关系，但差异图能更好概览所有结果。
3.4. Intraobserver Plot
研究人员比较两名观察者（TE2、UU2）自身重复测量的绝对和标准化差异，专家观察者的光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）均值最接近真值，电磁跟踪三维超声（EM-3D-US）标准差最小；UU组的电磁跟踪三维超声（EM-3D-US）均值最接近真值，光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）标准差范围最小；重复测量差异大多在±30%内，UU组有些离群值近+80%，电磁跟踪三维超声（EM-3D-US）和光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）重复扫描匹配最紧密。
3.5. Interobserver Plot
研究人员比较两名专家观察者（TE1、TE2）首次测量的差异，光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）均值最接近，电磁跟踪三维超声（EM-3D-US）和惯性测量单元跟踪三维超声（IMU-3D-US）很接近，二维B型超声（Bmode-2D-US）显示明显差异导致更高观察者间变异性，该结果基于仅两名专家的比较应解释为有限估计。
讨论部分总结如下：研究人员指出真值质量通过三维扫描与悬液法一致（平均差0.10 cm3，SD 0.02 cm3），CT测量和31天重复悬液法证实真值随时间稳定；超声经验水平影响方面，二维B型超声（Bmode-2D-US）的椭球法差异最大，UU组严重高估而TE组轻微低估，三维跟踪方法中TE的限制更紧，反映其自由手运动更可控，表明电磁跟踪三维超声（EM-3D-US）和光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）对运动质量最不敏感，惯性测量单元跟踪三维超声（IMU-3D-US）较敏感，适当培训可改善一致性，三维跟踪方法观察者内变异性低于二维B型超声，观察者间变异性也大幅降低；与文献比较显示本研究二维B型超声变异性与Lyshchik等报道相近，均高于电磁跟踪三维超声（EM-3D-US），Freesmeyer等报道略低，因设计不同需谨慎解释；样本特异性偏差在电磁跟踪三维超声（EM-3D-US）、惯性测量单元跟踪三维超声（IMU-3D-US）、光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）和MRI的差异图中出现，非体积单纯引起，可能源于跟踪误差各向异性或分割平滑的形状影响，MRI相似偏差可能巧合；分割软件局限在于各模态分割不统一，电磁跟踪三维超声（EM-3D-US）和惯性测量单元跟踪三维超声（IMU-3D-US）用PIUR专有流程，光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）等在3D Slicer手动复制，无法完全区分跟踪硬件与分割流程的贡献，需注意PIUR作者利益冲突但由非隶属临床医生测量并独立审查；一般局限包括体模表面真实性影响惯性测量单元跟踪三维超声（IMU-3D-US），观察者少、样本少、扫描同日进行、扁平体模几何限制轨迹、MRI在11天进行可能受体模变化影响，分割依赖对比度不均等；未来工作可用CloudCompare配准三维扫描网格与分割数据找误差方向，加入结节样本，重复分割比较软件操作影响，增加观察者和长期重复测量及人体研究。
结论部分翻译如下：
本研究使用具有解剖真实样本和严格验证真值的人体仿生多模态体模，比较了六种采集协议的甲状腺叶体积测定。跟踪三维超声（3D-US）相较于传统二维B型超声（Bmode-2D-US）的椭球法降低了观察者间和观察者内的变异性，达到与计算机断层扫描（CT）相当且低于磁共振成像（MRI）的变异性，而跟踪三维超声（3D-US）、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）的平均准确度相似。二维B型超声（Bmode-2D-US）仍强烈依赖观察者，操作者经验对该方法影响最显著。在跟踪方法中，电磁跟踪三维超声（EM-3D-US）和光学跟踪三维超声（Opt-3D-US）对操作者运动质量最不敏感，而惯性测量单元跟踪三维超声（IMU-3D-US）系统显示出稍高敏感性，表明适当培训有益。这些发现表明，在本基于体模的评估中，对于不同经验的操作者，跟踪三维超声（3D-US）是一种有前景的无辐射替代传统二维B型超声（Bmode-2D-US）用于甲状腺体积测定的方法，提高了重现性和准确性，值得在临床实践中进一步评估，鉴于目前椭球法的有限可靠性制约临床决策。由于这些发现是在受控体模条件下使用有限样本和观察者获得的，应视为初步的概念验证证据而非常规临床实施的直接证据。在更多观察者和长期重复测量的人体研究中确认是重要的下一步。
