Персонализированные 3 D модели сердца для планирования хирургических вмешательств

Новая методика обработки изображений позволяет конвертировать изображения МРТ в 3D- физические модели, в течение нескольких часов.

Исследователи из MIT и Бостонской детской больницы разработали систему, которая может использовать МРТ сердца пациента и, в течение нескольких часов, превратить их в материальную, физическую модель, которую хирурги могут использовать для планирования хирургического вмешательства.

Эти модели могут обеспечить интуитивный подход для хирургов, которую могут оценить и подготовиться к анатомическим особенностям конкретного пациента. "Наши сотрудники убеждены в том, что это будет иметь большую практическую ценность, « говорит руководитель проекта Полина Голланд, профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института. "Фраза, которая я слышала, что" хирурги видят своими руками ", и восприятие зависит от контакта рук хирурга с тканью сердца."

Семь кардиохирургов из Бостонской детской больницы примут участие в исследовании, задачей которого будет оценка полезности моделей.

Голланд и ее коллеги представили свою новую систему на Международной конференции по медицинской и вычислительной техники Image Computer Assisted . Даниэль Пейс, выпускник MIT , является ведущим автором и он отвечал за разработку программного обеспечения, которое анализирует МРТ изображения. Клиническую часть проекта вел кардиолог Эндрю Пауэлл.

МРТ данные состоят из ряда сечений трехмерного объекта. Так же, как черно-белая фотография, каждый срез МРТ имеет участки темного и светлого, и границы между этими регионами могут указывать края анатомических структур. А с другой стороны, они не могут определить границы структур.

Определение границ между различными объектами в изображении является одной из центральных проблем в области компьютерной визуализации, которую называют "сегментацией изображений". Но алгоритмы сегментации изображений общего назначения не являются достаточно надежными для того, чтобы воспроизвести очень точные модели, которые необходимы для хирургического планирования.

Человеческие факторы

Как правило, создание алгоритма сегментации изображения позволяет получить более детальное изображение и дает возможность увеличить его с помощью общей модели объекта, который будет сегментирован. Человеческие сердца, например, имеют камеры и кровеносные сосуды, которые, как правило, располагаются в примерно тех же местах, по отношению друг к другу. Это анатомическое согласованность может помочь создать алгоритм сегментации, способный отсеять неверные выводы о границах объекта.

Но проблема использования методики в том, что многим из кардиологических больных в Бостонской детской больницы требуются хирургические вмешательства именно потому, что анатомия сердца у этих детей изначально нарушена. Поэтому, полученная трехмерная модель может не учитывать изменения функций, что очень важно для хирурга .

В прошлом, исследователи уже создавали печатные модели сердца вручную, с помощью изображений МРТ. Но использование 200 сечений, полученных в ходе высокоточного сканирования Moghari, растягивало процесс создания модели сердца почти на 8-10 часов.

"Им требовалось один - два дня, от момента сканирования детей до окончательного решения о плане оперативного вмешательства. Такой длительный период подготовки представляется очень громоздким ," говорит Голланд. ."

Задачей Пейса и Голланда было попросить эксперта определить границы в нескольких сечениях, что позволило бы создать алгоритм. И отличные результаты появились после того, как они попросили эксперта оценить сегмент только небольшого участка – девятую часть общей площади - каждого сечения.

В этом случае сегментировалось всего 14 патчей, а созданный алгоритм позволил вывести остальные 90 процентов площади сердца, и полученная информация не отличалась от заключения эксперта на основе 200 сечений. А сегментация всего трех патчей позволяло охватить почти 80 % площади .

"Я думаю, что если кто-то мне сказал бы, что я мог бы сегментировать все сердце из восьми срезов из 200, я бы не поверил им, « говорит Голланд. "Это было для нас неожиданностью."

Таким образом, сегментация всего нескольких патчей и генерация с помощью алгоритма 3-D модели сердца занимает всего около часа. Процесс 3-D-печати занимает несколько часов.

Прогноз

В настоящее время, алгоритм анализирует участки несегментированных срезов и ищет аналогичные функции в ближайших сегментированных сечениях. Но Голланд считает, что производительность методики может быть улучшена, если алгоритм позволит анализировать также патчи сечений боковых срезов. Это и другие вариации алгоритмов являются предметом текущих исследований.

Клиническое исследование осенью будет включать в себя MRI 10 пациентов, которые уже прошли лечение в Бостонской детской больнице. Каждому из семи хирургов будут предоставлены данные по всем 10 пациентам - некоторым, вероятно, более чем один раз. Эти данные будут включать сырые МРТ и, на основе рандомизированной, либо физической модели или компьютерной 3-D модели.

Используя эти данные, хирурги будут разрабатывать план хирургических процедур, которые будут сравниваться с документацией оперативных вмешательств, которые были выполнены на каждом из пациентов. Есть надежда на то, что исследование может пролить свет на то, могут ли 3-D-печатные физические модели реально улучшить результаты хирургического лечения.