Автор: Афанасенко Андрей Викторович

Название :

"Разработка гибридной специализированной системы распознавания образов на базе нечетких нейронных сетей"

Компьютерные системы медицинской и технической диагностики

Код специальности: 7.091505

Категория : Автореферат магистерской выпускной работы

Руководитель : Скобцов Ю.А.

    На протяжении всей истории медицины врачи мечтали о возможности визуализации органов и структур человеческого организма без операционного вмешательства.

    Открытие рентгеновских лучей позволило медикам исследовать и анализировать те процессы, которые ранее были недоступны. Одним из этих направлений является ангиография - наука, исследующая патологические изменения артерий и вен.

    Прогресс в хирургическом лечении облитерирующих заболеваний сосудов во многом связан с внедрением новых способов диагностики, позволяющих выбрать оптимальный объем операции и избежать тактических ошибок.

    Основным методом их диагностики остается рентгеноконтрастная ангиография, именуемая "золотым стандартом". Однако, несмотря на высокую информативность, она не лишена существенных недостатков (повышенный риск, лучевая нагрузка, невозможность визуализировать сосудистую стенку и т.д.). Наряду с ним в медицинской практике используется метод ультразвукового дуплексного сканирования (УЗДС), который сочетает в себе возможность визуализации сосуда в реальном времени и изучения функциональных параметров кровотока.

    Ангиография предоставляет полную информацию об анатомическом строении артериальной системы в целом расположении крупных магистральных сосудов и коллатералей, локализации и протяженности окклюзирующего поражения и т.д. В этом плане метод выгодно отличается от УЗДС, при котором информация складывается из отдельных сканируемых участков(до 5 см в длину).

    Однако в ряде случаев ангиографическое исследование не отвечает предъявляемым требованиям. Это связано с несколькими причинами: недостаточно хорошим качеством контрастирования, наличием артефактов, особенностями локализации атеросклеротического поражения, невозможностью оценить состояние сосудистой стенки.

    Качество контрастирования зависит от дозы контрастного вещества, способа контрастирования, скорости кровотока в артериях. Лучшее контрастирование достигается при транслюмбальной ангиографии. При внутривенной дигитальной субтракционной ангиографии изображение подвздошных артерий значительно ухудшается из-за появления так называемых "двигательных артефактов", вызванных содержанием воздуха в кишечнике или дыхательными движениями. При наличии артефактов или плохом контрастировании невозможно определить состояние подвздошных артерий на основании ангиограмм, и ДС - единственный доступный методом их визуализации (рис. 1 а, b).

Рис. 1. Визуализация подвздошных артерий а - ангиограмма; "двигательные артефакты" (газ в кишечнике) накладываются на изображение правой наружной подвздошной артерии (стрелка), b - эхограмма того же сегмента. Режим ЦДК

Рис. 2. Визуализация бедренных артерий при окклюзии аорто-подвздошного сегмента а - ангиограмма; низкое качество контрастирования (зоны интереса отмечены стрелками), b - эхограмма бифуркации общей бедренной артерии; стеноз глубокой артерии бедра в устье. Режим ЭОД.

    Дистальнее уровня окклюзии контрастирование артерий может отсутствовать вовсе из-за низкой скорости коллатерального кровотока. До внедрения УЗДС в план обследования хирург мог убедиться в пригодности дистального артериального русла для восстановления кровотока лишь в ходе интраоперационной ревизии. При УЗДС можно исследовать сосуды с любой скоростью кровотока, добиваться хорошей их визуализации и заранее планировать ход операции.

    Трудности ультразвукового исследования сосудов также могут быть связаны с наличием газа в кишечнике, глубоким расположением артерий таза (особенно у тучных больных), неблагоприятным углом сканирования (> 60°). Визуализация всего артериального русла конечностей затруднительна вследствие большой его протяженности. Качество изображения артерий значительно ухудшается при наличии окклюзирующих поражений: массивные ультразвуковые тени от кальцинированных бляшек перекрывают контуры сосуда.

    Исследование артерий нижних конечностей имеет ряд дополнительных трудностей, обусловленных особенностями анатомии и локализации атеросклеротического процесса. Косой ход, множество анатомических изгибов артерий, их грубая деформация в результате атеросклероза, локализация бляшек преимущественно на задней стенке в местах деления артерий требует проведения УЗДС в нескольких плоскостях, меняя расположение датчика и угол наклона.

    При сравнении рентгеноангиографической и УЗДС картины стеноза установлено, что чем меньше степень стеноза, тем менее чувствительной оказывается ангиография для его выявления.

Рис. 3. Определение степени стеноза подвздошных артерий а - ангиограмма; стеноз левой общей подвздошной артерии визуализируется неотчетливо (стрелка), b - допплерограмма того же сегмента; стеноз левой общей подвздошной артерии 50-75%. Режим импульсной допплерографии.

    Малая информативность рентгеноконтрастной ангиографии в оценке состояния бедренных артерий обусловлена тем, что на снимках, произведенных в передне-задней проекции, начальные сегменты глубокой и поверхностной бедренных артерий перекрывают друг друга.

    Невозможность изучения сосудистой стенки является существенным недостатком рентгено-контрастной ангиографии. О состоянии стенки можно судить косвенно по наличию краевых дефектов наполнения, "изъеденности" контуров, неравномерному контрастированию. УЗ является единственной, доступной широкому кругу исследователей методикой, позволяющей изучать стенку артерии, атеросклеротические бляшки и их структуру. Мягкая (липосклеротическая) бляшка по УЗДС плотности практически не отличается от движущейся крови и выявляется только при ЦДК по наличию "дефекта наполнения". Фиброзные бляшки имеют более плотную структуру. Включения кальция дают УЗ тени. Особо выделяются осложненные бляшки с кровоизлияниями и изъязвлениями.

    К преимуществам УЗ исследований по сравнению с аорто-артериографией относится и возможность изучать сегменты, "выключенные" из кровотока в результате окклюзии, визуализировать тромбированные артерии и шунты, судить о плотности окклюзирующих масс и о причине облитерации.

    Говоря о недостатках ангиографии, нельзя не упомянуть и о тех, которые связаны с особенностями проведения данной процедуры - пункцией крупных артерий, воздействием на организм пациента рентгеновских лучей и контрастного вещества, высоком риске и большой стоимости исследования.

    Из всего того, что было сказано по поводу сравнительной оценки УЗДС и рентгеноконтрастной ангиографии, отнюдь не следует вывод о том, что УЗДС сегодня в состоянии полностью вытеснить ангиографию. Возможность увидеть артериальную систему конечностей целиком, предоставляемая ангиографией, всегда будет привлекать сосудистых хирургов при определении тактики реконструктивных операций. УЗДС может заменить рентгено-контрастную ангиографию при планировании небольших по объему реконструктивных вмешательств в зоне глубокой артерии бедра или при наличии противопоказаний для рентгеноконтрастного исследования.

Существующие методики повышения качества рентгенологических исследований

    Качество проведения рентгенологических исследований можно повысить, за счет применения дигитальной субтракционной (ДСА) и пошаговой ангиографии артерий.

Пошаговая ангиография

    При проведении пошаговой ангиографии исследуемая область разбивается на участки - этапы. На каждом этапе пациенту вводят контрастирующие вещество и производят запись участка исследуемой кровеносной системы. Связи с этим во время проведения такого исследования расходуется большой объем контрастирующего вещества, что оказывает влияние на стоимость обследования, так же пациент подвергается большой дозе облучения.

Дигитальная субтракционная ангиография

    Метод дигитальной субтракционной ангиографии основан на внутривенном или внутриартериальном введении небольших доз контрастного вещества и усилении изображения контрастированных сердца и сосудов за счет компьютерной обработки и субтракции (исключения) неконтрастированных изображений объектов, не имеющих диагностической ценности - скелета, мягких тканей. Высокая разрешающая способность изображений, полученных данным методом, позволяет использовать меньшие дозы рентгеноконтрастных препаратов, либо производить инъекцию контраста в отдаленном от интересующего объекта месте.

    Несмотря на значительное количество модификаций ДСА, существующих в настоящее время, все их можно подразделить на три основные группы, объединяющим фактором которых служит то, какая из физических переменных (время, энергия, глубина) участвуют в процессе субтракции изображения. Если для формирования дифференцированного изображения применяется одна физическая переменная, то процесс носит название субтракции "первого порядка", когда две и более - субтракции "второго порядка".

    Специального рассмотрения заслуживает принцип временной субтракции, подразделяемой на традиционную субтракционную ангиографию, интегральный метод, соответственную и возвратную фильтрации. Принцип временной субтракции основывается на выполнении серии снимков за период с момента появления первой порции контрастного вещества до полного его исчезновения. Окончательное дифференцированное изображение формируется из разницы изображения с максимальной плотностью визуализации и "маски" - изображения с отсутствием контрастного вещества. Этот принцип положен в основу традиционной дигитальной ангиографии. Благодаря созданию видеодетектора и совершенствованию электронной техники появилась возможность фиксации изображения на кинопленку, видеопленку или оптический диск.

    Современными модификациями традиционной дигитальной ангиографии являются интегральный метод, соответственная и рекурсивная фильтрации. Основное различие заключается в количестве изображений, используемых для получения одного дифференцированного изображения.

    Основой интегрального метода являются различия изображений "масковых" и после контрастирования сосудов.

    Соответственная фильтрация позволяет исключить изображения, содержащие нежелательные колебания сосудов.

    При рекурсивной фильтрации в основе получения дифференцированного изображения лежит серия фрагментов, каждый из которых представляет собой комбинацию двух следующих друг за другом изображений.

    Гибридная субтракция (субтракция "второго порядка") направлена на преодоление движения мягких тканей и граничащих с сосудами органов. Основное достоинство метода заключается в сглаживании артефактов, возникающих при глотательных движениях, перистальтике кишечника, передаточной пульсации от камер сердца и крупных сосудов. Основным недостатком является малое соотношение исходного сигнала к "шуму".

    Глубинная (томографическая) субтракция основана на выделении определенного среза с помощью цифровых флюорографических систем.

    Одним из достоинств ДСА является малая лучевая нагрузка на пациента. Так, кожная доза при выборе позиции в течении 10 с, требующихся для рентгеноскопии, составляет 500 мР; тотальная экспозиционная доза - 3Р и средняя тканевая доза - 2 рад.

    Существенно сокращается время проведения исследования и занятость персонала. Изображение, пригодное для анализа, получают в реальном масштабе времени

    Наряду с широкими перспективами использования ДСА, метод имеет и слабые стороны. К ним относятся малое поле изображения и невозможность выполнения одновременной биплановой ангиографии.

    Следует указать ряд факторов, которые значительно влияют на качество изображения: чувствительность к двигательным артефактам, которая может мешать точному устранению фона. Существенным недостатком ДСА является меньшая разрешающая способность, получение изображения, не соответствующего истинным размерам, и отсутствие связи выявленных изменений с анатомическими ориентирами. Первый из них обусловлен конструкцией аппаратуры: несмотря на самые совершенные установки, разрешающая способность ДСА достигает только 2 пары линий на 1 мм, в то время как стандартная ангиография - 5 пар линий на 1 мм. Другие же недостатки устранимы. Соотношения полученного изображения с анатомическими ориентирами можно достичь путем регистрации на пленке двух изображений - "маски" и "заполнения". Для определения истинных размеров достаточно знать истинный наружный диаметр катетера, который может служить эталоном при рентгенометрии.

    Разрабатываемая система позволит расширить возможности рентгенологического метода исследования кровеносных сосудов. Для чего необходимо реализовывать следующие функции:

Литература

1. У. Претт Цифровая обработка изображений. Том 1 и 2 М.: Наука 1982 568с.

2. Круглов В.В Математические пакеты расширения MatLab СП.: Питер 2001

3. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. - СПб .: Питер, 2001. -480 с.

4. Круглов В.В. 'Искусственные нейронные сети СП.: Питер 2000

5. Журнал Новости лучевой диагностики - 4 за 1998, 1 за 1999.

6. Лелюк В.Г Дуплексное сканирование артерий и вен нижних конечностей стандартный протокол Киев 2001