12 ноября 2015г.
Фундаментальными проявлениями рассеянного склероза (РС) являются патоморфологические изменения в ЦНС в виде очагов демиелинизации находящихся как правило у одного и того же больного на разных стадиях эволюции. Наиболее эффективным методом визуализации, этих так называемых «бляшек» (plaques) является магнитно-резонансная томография (МРТ). С помощью пульсовых последовательностей с различными временными характеристиками МРТ позволяет получать необходимую дифференциально- диагностическую информацию, устанавливать активность процесса демиелинизации, оценивать степень нарушения нейрональной дезинтеграции и т.д.
Анализ результатов МРТ в значительной степени ограничивается эмпирическими выводами, основанными исключительно на зрительном восприятии экспертом того или иного среза без возможности оценить картину заболевания в трехмерном представлении и имеет во многом субъективный характер. Между тем очаги демиелинизации при РС отличаются непостоянством размеров, формы и мест появления. Кроме того, участки с пониженной плотностью миелина имеют чрезвычайно низкие показатели яркости и контрастности на фоне окружающих структур мозга.
Один из способов повышения специфичности и чувствительности МРТ и оценки динамики патоморфологических проявлений РС состоит в применении автоматизированных методов получения нестандартных плоскостных и объемных параметров, адекватно описывающих особенности процесса демиелинизации.
Для разработки автоматизированных методов выделения очаговых изменений у пациентов РС важно иметь предварительную информацию об их наиболее характерных визуальных признаках (форме, размерах, пространственной ориентации) и вероятных областях расположения.
Обычно очаги демиелинизации у больных РС имеют овальную или округлую форму и локализуются в перивентрикулярном пространстве больших полушарий, между хвостатым и мозолистым телом, в зонах, прилегающих к верхнелатеральному углу боковых желудочков, в белом веществе семиовального центра, височных долях, стволе мозга, мозжечке, хиазме зрительных нервов. В перивентрикулярной зоне овальные очаги вытянуты в радиальном направлении от желудочков к коре («пальцы» Доусона). Наиболее характерная локализация демиелинизирующего процесса представлена в Таблице 1.
Локализация очагов демиелинизации у пациентов с РС по данным МРТ
Таблица 1.
Локализация очагов у больных РС
|
Частота
|
Перивентрикулярное расположение
|
78%
|
Мозолистое тело
|
4%
|
Субкортикальные отделы
|
13%
|
Мозжечок
|
15%
|
Лобные доли
|
41%
|
Височные доли
|
17%
|
Теменные доли
|
61%
|
Затылочные доли
|
30%
|
Ствол мозга
|
11%
|
На границе серого и белого вещества
|
5 - 10%
|
Для разработки алгоритма диагностики РС с помощью МРТ с применением автоматизированных методов необходимо определить критерии, способные подтвердить пространственное и временное распространение очагов демиелинизации – «диссеминацию во времени и в пространстве». Можно выделить следующие признаки, которые визуализируются аппаратными средствами и пригодны для обработки методами компьютерной математики:
- наличие очагов в определенных областях;
- распределение очагов по определённым областям;
- активность (интенсивность сигнала) очагов;
- выраженность очаговых образований;
- эволюция очагов;
- пространственная диссеминация;
- временная диссеминация.
Наличие очагов в определенных областях: в практике исследования фиксируется сам факт визуализации очагов, поэтому следует иметь функции автоматического расчёта их количества по каждой области локализации.
Распределение очагов по определённым областям: по полученным значениям локальной численности рассчитывается процентное соотношение локализованных в каждой области очаговых образований, по сравнению с общим количеством. Параметром, акцентирующим внимание на области с максимальным поражением здоровой нервной ткани, может служить относительная площадь очагового поражения ткани (отношение общей площади очагов демиелинизации к площади участка мозга, в котором локализуются очаги).
Активность очагов: данный признак характеризуется способностью конкретного очага накапливать контрастное вещество. На практике может быть автоматически определен значением средней яркости очага на Т2-взвешенном изображении.
Для детализации яркостной характеристики очагов, целесообразно дополнительно получать на плоских изображениях гистограмму яркости очага (Рисунок 1) и профиль яркости очага (Рисунок 2).
Рис.1. Иллюстрация гистограммы яркости, полученной по значениям яркости элементов, образующих площадь очага.
Рис.2. Иллюстрация построения профиля яркости очагового образования
Выраженность очаговых образований: описывает четкость границ очагов на одном и том же срезе.
Данный параметр можно вычислять по формуле (1):
ЧГ =Ioб-в - I *100%
Iбв
где Io – интенсивность сигнала очага. (1)
Iбв – интенсивность сигнала белого вещества.
Очаг с увеличением интенсивности сигнала на Т2 взвешенном изображении менее, чем на 50% по сравнению с интенсивностью сигнала от неизмененного белого вещества головного мозга, следует считать слабо гиперинтенсивным, а более 50% - резко гиперинтенсивным.
Эволюция очагов: данная характеристика изначально подразумевает проведение сравнения параметров формы, размеров, яркости между изображениями одних и тех же объектов на разнесенных по времени получения изображениях. Стандартно сравнивается площадь очагов. В стандартном наборе присутствует также периметр. Предлагается дополнить сравнение геометрических особенностей введением численных параметров, называемых факторами формы: элонгацией (описывает вытянутость объекта), сферичностью (описывает степень округлости формы), компактностью (описывает обременённость формы наростами и впадинами по контуру объекта), что позволит увеличить точность описания данного параметра.
Пространственная диссеминация: количественный анализ пространственного распространения очагов осуществляется через сопоставление числа очагов, накапливающих и не накапливающих контрастное вещество.
Целесообразным представляется введение дополнительных параметров, позволяющих проводить сравнение состояния одного и того же участка на МРТ-изображениях, выполненных в различное время:
а) максимальный диаметр области очагов
b) поверхностная плотность очагов
с) коэффициент пространственной диссеминации
d) оверлейное наложение МРТ-изображений
Временная диссеминация. Этот признак построен на сравнении одних и тех же параметров, полученных по определённой группе объектов, на МРТ-изображениях, датированных разным временем. К привлекаемым для сравнения нестандартным параметрам относятся следующие:
a) относительная яркость очагов одного класса активности (отношение средней яркости очагов данного класса к средней яркости всего изображения).
b) относительная площадь очагов одного класса по площади (отношение средней суммарной площади очагов данного класса к площади всего изображения).
c) процент активности характеризует вклад группы очагов определённой активности в общую картину.
На основании использования предложенных выше нестандартных параметров вместе со стандартными показателями рассмотрим алгоритм трёхмерной визуализации очагов РС с использованием набора из 22 плоских томографических сканов, представленных в Dicom-формате.
На Рисунке. 3 приведены три из 22-ух сканов, использованных для данной процедуры.
Рис.3. Послойные томографические сканы, на основе которых проводится объёмная реконструкция объектов
Очаги демиелинизации представлены на изображении более яркими пятнами. Процесс реконструкции подразумевает определение координат и яркостных значений каждого элемента изображения, что в дальнейшем станет платформой для получения численных параметров. Прежде всего, необходимо в автоматизированном режиме провести выделение зоны интереса. Для этого проводится сегментирование информативных объектов на каждом из представленных сканов с удалением всех структур, уровень яркости которых не соответствовал уровням яркости исследуемых объектов (рис. 4).
Затем отсегментированное изображение вновь представляется в обычном полутоновом, а не бинарном виде. На Рисунке 5 представлены три кадра (исходный, отсегментированные бинарный и серый) и окно с текстом скриптовой программы обработки информативных объектов.
Рис.4. Результат сегментации патологических очагов на одном из 22-ух слоёв
Рис.5. Процесс выделения очагов и окно с текстом скриптовой программы
На следующем этапе все выделенные структуры идентифицируются, автоматически раскрашиваясь в разные цвета, информативные объекты при этом получают одинаковый цвет на каждом из слоёв. Затем на экран выводится окно с результатами поверхностных и объёмных измерений.
Построение модели исследуемых структур, включающей в себя получение координат и значений яркости каждого элемента изображения, завершается трёхмерной визуализацией очагов демиелинизации. Для чёткой локализации местоположения исследуемых объектов, они даны в привязке к контуру черепа (Рис.6).
Рис.6. Окно с вращающимся боксом
Параметры рассчитываются только после того, как программными средствами на плоских МРТ-срезах определены и выделены информативные участки на изображении.
Таким образом, решение вопроса о повышения специфичности МРТ, а также о расширении возможностей данного метода для мониторирования эффективности терапии РС лежит в плоскости внедрения прогрессивных технологий объемной реконструкции изображения и использования новых, нестандартных приёмов количественного анализа информации о визуальных проявлениях патологических изменений вещества мозга.