Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения объема патологических образований спинного мозга на высокопольном магнитно-резонансном томографе

Изобретение относится к научной и практической медицине и может быть использовано для определения объемов патологических образований в спинном мозге.

Известен способ выявления патологических очагов в спинном мозге с помощью расчета «индекса контрастности», по сути - разницы между интенсивностью внутри очага (I₁) и вне очага (I₂) поделенной на I₂. Исследование проводилось как в режиме STIR, в том числе модифицированном, так и без него.

(Патент РФ №2472433, МПК А61В 5/055, опубл. 20.01.2013 г.)

Однако, данный способ требует для применения компетенций врача рентгенолога, подходит для выявления только гомогенных образований. Так же в данном способе не представлена возможность определения объемов выявленных патологических образований.

Известен способ определения объема органов или образований при медицинском обследовании, при котором получают проекции изображений органа на любые две или три ортогональные плоскости, зафиксированные относительно органа с дальнейшим нахождением объема по математическим формулам.

(Патент РФ №2284146, МПК А61В 5/055, опубл. 27.09.2006 г.)

К недостаткам можно отнести то, что данный способ позволяет рассчитывать только объемы образований с четко визуализируемыми границами.

Известен способ автоматического расчета формы объемных тел, заключающийся в обработке полутоновой информации, полученной на основе трех снимков, и сравнения их с калибровочными снимками.

(Заявка РФ №98103621, МПК G01B 11/00, опубл. 10.12.1999 г.)

Однако данный способ трудноосуществим, т.к. исследуемый объект и калибровочные кривые должны находиться приблизительно в одном месте и должны быть соизмеримы. Способ трудно осуществим и он дает приблизительные результаты. Не реализована возможность определения сложных для визуализации контуров объектов, в том числе гетерогенных образований.

Известен способ построения изображений трехмерных объектов на двумерной поверхности, включающий представление объекта в памяти в виде множества пространственных координат и их преобразование в множество «экранных» координат, использующей корректирующие функции.

(Заявка РФ №2000109789, МПК G06T 17/00, опубл. 27.03.2002 г.)

Однако способ позволяет осуществить лишь имитацию визуального трехмерного пространства, без расчета объема тел. Значение регулирующего параметра задают на основе непосредственного измерения пространственных параметров тел, что невозможно при исследовании органа без оперативного вмешательства. Кроме того, нет возможности определения сложных для визуализации контуров объектов, в том числе гетерогенных образований.

Известен способ создания изображений и носитель программ и данных, с помощью которого обрабатывается объемное или плоское изображение органа, причем изображение разбивается на элементы графических форм. Разбивка осуществляется с использованием интерполяционных линий, определяется линия, которая интерполирует пространство между двумя вершинами по вектору и затем интерполируют пространство между заданной вершиной и любой другой.

(Заявка РФ №2000100280, МПК G06T 17/00, опубл. 10.12.2001 г.)

Данный способ сложен и позволяет только построить объемное изображение органа, без расчета его объема.

Все известные способы определения объемов образований в спинном мозге без инвазивного вмешательства, в которых осуществляют расчет либо на основе исходных данных, полученных при измерении наибольшего размера трех плоских проекций органа или образования, либо на основе очень сложного математического построения объемной модели органа или образования, не дают требуемой точности расчета, не позволяют находить объемы сложных для визуализации образований.

Задачей изобретения является создание способа определения объема патологических образований спинного мозга, позволяющего с высокой точностью определить и рассчитать объем сложных для визуализации образований, незначительно отличающихся по интенсивности от окружающих тканей на МРТ изображениях и имеющих сложную внутреннюю структуру и неровные контуры для последующей оценки восстановительных процессов и контроля терапии.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения и расчета объема патологических образований спинного мозга.

Это достигается тем, что в заявляемом способе определения объема патологических образований спинного мозга на высокопольном магнитно-резонансном томографе с получением проекции изображений, соответствующих определенному срезу спинного мозга во фронтальной, сагиттальной или аксиальной плоскости, изображения интересующих срезов в нужных проекциях выгружают в формате ipj, png или jpeg, контурируют с использованием алгоритма разностного контурирования для выделения патологической области на срезе, при этом подбирают оптимальные параметры для контурирования, затем выделяют область интереса и рассчитывают ее площадь по методу Гаусса, затем подгружают изображение соседнего среза, и операцию повторяют для всех изображений срезов объемного образования, а объем образования Q вычисляют по формуле:

где d - толщина среза, а S_i - площадь области интереса на срезе i.

Осуществление способа.

Данный способ нахождения объемов применим для исследования спинного мозга на высокопольных магнитно-резонансных томографах от 3 Тл и выше. Используется стандарт медицинских изображений DICOM.

С помощью магниторезонансного томографа (например, аппарата Clin Scan, Brucker BioSpin, Германия) с напряженностью магнитного поля 7 Тл, проводят исследование. Оценивают Т1 или Т2 взвешенные изображения, в любом визуализаторе DICOM-данных выявляют область интереса, а изображения интересующих срезов в нужных проекциях выгружают в формате ipj, png или jpeg.

Обработку данных проводят с помощью программы Spinal cavity Searcher (ScS), разработанной на языке С# в среде Visual Studio 2017. Загружают изображение, производят контурирование с использованием алгоритма разностного контурирования.

Описание алгоритма разностного контурирования показано на на Фиг. 1, где 2 - наблюдаемая точка, 1 - пара противоположных точек. Осуществляется пробег по пикселям изображения и оценка яркости каждого пикселя.

Способ разностного контурирования основан на том, что контур (край) объекта на изображении заметен невооруженным глазом, если существует существенная разница в яркости пары противоположных пикселей, расположенных непосредственно вокруг наблюдаемой точки, которая принадлежит краю объекта. Это относится к паре точек, которые могут образовывать прямую линию, проходящую через наблюдаемую точку.

Если максимальное значение для разности яркости меньше нижнего предела яркости, точка меняет свой базовый цвет на черный, а если оно больше, чем значение верхнего предела яркости, точка меняет свой основной цвет на белый, и наоборот в инвертированном режиме.

Подбирают оптимальные параметры для контурирования (пороговые значения яркости), затем выделяют область интереса и рассчитывают ее площадь по методу Гаусса. Затем подгружают изображение соседнего среза, и операцию повторяют для всех изображений срезов объемного образования.

Затем находят объем образования Q по формуле:

где d - толщина среза, а S_i - площадь области интереса на срезе i.

Интерфейс программного обеспечения Spinal cavity Searcher (ScS) представлен на Фиг. 2.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Группе лабораторных животных - семи крысам чистой линии рода Sprague-Dawley, самкам, весом 250-350 граммов, после нанесенной контузионной травмы спинного мозга тяжелой степени на уровне Т9. На Фиг. 3 показана динамика изменения структуры и объема зоны повреждения спинного мозга у крысы после контузионной травмы спинного мозга, с указанием периода времени после травмы спинного мозга. Проводилось МРТ исследование (аппарат Clin Scan, Brucker BioSpin) на 2 сутки после нанесения травмы, в дальнейшем четырехкратно с интервалом в 1 неделю. Также дополнительное исследование проводилось через 4 месяца после нанесения травмы. На основе предложенного способа, с использованием разработанного программного обеспечения, выявлена динамика изменения объемов полостей спинного мозга у группы контроля во времени, показанная в таблице 1. Выявлена стойкая тенденция к увеличению объема полости во времени, объясняемая наличием иммунологических процессов, сопровождаемых разрушением поврежденных нейронов и их отростков, а так же наличием процессов ретроградной и антероградной (Валлеровой) дегенерации нейронов.

Пример 2.

Группе лабораторных животных рода Sprague-Dawley, после нанесения контузионной травмы спинного мозга тяжелой степени, производилось однократное введение в хвостовую вену мононуклеарных клеток пуповинной крови человека (10×10⁶) на первые сутки после операции. Проведен цикл МРТ исследований аналогично с группой самовосстановления из примера 1. Выявленная динамика изменения объемов полостей в спинном мозге свидетельствует о статистически значимом их уменьшении уже с 1 недели после операции в сравнении с группой самовосстановления (см. таблицу 2) на основе статистики Манна-Уитни, что объясняется нейропротективым, нейрорегенеративным и нейрорепаративным действием, ангиогенным действием, противовоспалительным и иммуносупрессивным эффектами от введения мононуклеарных клеток пуповинной крови человека.

Пример 3.

МРТ пациента С.С.Н. (экспериментальная группа) с нестабильным компрессионно-оскольчатым переломом тела Th12 позвонка, стабильным переломом тела L1 позвонка, ушибом конуса спинного мозга тяжелой степени. Исследование проводилось на аппарате Signa 3,0 Тл фирмы General Electric.

Был использован предложенный метод определения объема патологических образований спинного мозга. Изображения 4 интересующих срезов в сагиттальной проекции были выгружены в формате jpeg в Dicom визуализаторе (RadiAnt DICOM Viewer). Затем с помощью разработанного ПО Spinal cavity Searcher (ScS) полученные изображения были контурированы с использованием алгоритма разностного контурирования. Выбранные параметры контурирования: верхний предел яркости: 0.50, нижний предел яркости: 0.07. Далее на первом срезе была выделена область интереса, и произведен автоматический расчет ее площади по методу Гаусса. Аналогично расчет площадей областей интереса был произведен для всех других изображений срезов объемного образования, а объем образования Q был вычислен по формуле:

где d - толщина среза, а S_i - площадь области интереса на срезе i.

Объем контузионного очага Q составил 3,925 см³, что соответствует контузионной травме спинного мозга тяжелой степени и неврологическому дефициту на уровне ASIA В.

На Фиг. 4 показана Т2-ВИ, сагиттальная проекция. Визуализируется очаг контузии конуса спинного мозга на уровне верхнего края Th12 позвонка с перифокальным отеком. На Фиг. 5 показана STIR, сагиттальная проекция. Визуализируется гиперинтенсивный очаг в задних отделах очага контузии - небольшой очаг гематомиелии.

Таким образом, на основании проведенных исследований показано, что данный способ расчета объемов очагов в спинном мозге с использованием программы Spinal cavity Searcher (ScS) является высокочувствительным, и может применяться как в медицинской практике, так и в различных научных исследованиях.