КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ И КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОЧАГОВ ДЕМИЕЛИНИЗАЦИИ В ДИАГНОСТИКЕ И МОНИТОРИРОВАНИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕЧЕНИЯ РАССЕЯННОГО СКЛЕРОЗА ПУТЕМ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ

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. 

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.