СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПОЗВОНОЧНИКА МЕТОДОМ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
METHOD OF SPINE VISUALISATION BY METHOD OF MAGNETIC-RESONANCE TOMOGRAPHY

Изобретение относится к области медицины, а именно к лучевой диагностике, ортопедии, педиатрии, и может быть использовано при определении степени сколиотической или кифозной деформации, а также оценке состояния позвоночного канала.
Рентгеновские методы широко используются для анализа состояния позвоночника, в частности для оценки сколиотической дефомации (см. И.А.Мовшович, И.А.Риц. Рентгенодиагностика и принципы лечения сколиоза. М.: Медицина, 1969. В.А.Дьяченко. Аномалии развития позвоночника в рентгено-анатомическом освещении. М., 1949, Н.А.Панов, А.З.Гингольд, К.А.Москачева. Рентгенодиагностика в педиатрии. М.: Медицина 1972; И.А.Мовшович, И.А.Риц. Рентгенодиагностика и принципы лечения сколиоза. М.: Медицина, 1969; И.Г.Лагунова; И.А.Мовшович, И.А.Риц. Рентгенодиагностика и принципы лечения сколиоза. М.: Медицина, 1969; Francis А. Burgener, Martii Kormano, Bone And Joint Disorders, Conventional Radiologic Differential Diagnosis. Thieme New York, 1997).
Однако рентгеновские методы плохо диагностируют состояние мягких тканей, из-за чего не подходят для визуализации позвоночного канала.
Эта проблема преодолевается при использовании метода магнитно-резонансной томографии (МРТ).
МРТ является эффективным методом изучения позвоночника, имеющим ряд преимуществ перед рентгеновскими методами. В МРТ пока проблематично получение объемных изображений позвоночного столба, подобно тому, как это получается методами рентгеновской компьютерной томографии. Это связано со сложностями в сегментации изображений, поскольку на обычно применяемых режимах сканирования не достигается достаточной разницы в контрасте между пространственно близкими объектами - позвонками и дисками, с одной стороны, и примыкающими к ним тканями, - с другой. В результате в МРТ в основном имеют дело с плоскими двумерными изображениями.
Определенные проблемы в МРТ-исследовании позвоночника возникают в случае нарушения статики - выраженного сколиоза и/или кифоза, когда получаемые обычными методами двумерные изображения - как позвоночного канала, так и позвоночного столба, оказываются недостаточно информативными из-за того, что эти структуры на MP-изображении представлены разрозненными фрагментами - фиг.1 А,В. Это затрудняет визуализацию объекта и снижает информативность исследования.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является способ визуализации позвоночника методом МРТ (см. A.Schmitz, U.E. Jaeger, R.Koenig, J. Kandyba, U.A. Wagner, J.Giesecke,O.Schmitt A new MRI technique for imaging scoliosis in the sagittal plane // Eur Spine J (2001) 10:114-117), заключающийся в том, что для оценки сколиотической деформации производится компоновка коронарных сагиттальных срезов, получаемых от шейного, грудного и поясничного отделов, чтобы получить изображение всего позвоночника. Таким образом, в этой работе информативность МР-изображений повышается лишь за счет компоновки изображений сверху-вниз. При этом остается непреодоленной передне-задняя дефрагментация позвоночника. Это связано с тем, что применяется плоскостное представление для объекта, имеющего выпуклую структуру. Вследствие этого на плоской картине окажутся лишь те фрагменты объекта, которые пересекают плоскость отображения.
Таким образом, обычно применяемое в МРТ представление позвоночника в виде плоских срезов не обеспечивает возможность его визуализации как цельной структуры на всем протяжении позвоночника из-за особенностей геометрической структуры позвоночника, т.е. физиологических его изгибов. При этом сложности возрастают, если позвоночник подвержен деформации (сколиотической или кифотической). Это объясняется следующим. Позвоночник человека на сагиттальной проекции имеет S-образную форму, что оптимизирует его функции (гибкость, прочность, устойчивость) при прямохождении. Из-за такой формы позвоночник на плоских срезах в коронарной проекции представлен отдельными фрагментами - фиг.1 В. В норме эти фрагменты на коронарных срезах ориентированы строго вертикально. При наличии сколиоза фрагменты ориентированы на данной проекции влево или вправо от средней линии в соответствии с патологическим изгибом позвоночника.
В любом случае при представлении позвоночника в виде плоских срезов на коронарной проекции ни один из его сегментов нельзя представить в виде цельной неразрозненной структуры. Что касается сагиттальной проекции, то сегменты будут представлены цельными структурами лишь для нормального, не подверженного нарушению статики позвоночника.
В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования способа визуализации позвоночника методом МРТ, при котором обеспечивается возможность представления изображения позвоночного канала и позвоночного столба в виде целостных неразрозненных структур, несмотря на возможные нарушения статики позвоночника (кифоз, сколиоз), и, как следствие, повышается информативность способа, а также точность диагностики позвоночника.
Для решения этой задачи в способе визуализации позвоночника методом МРТ, согласно которому сначала получают набор исходных изображений аксиальных срезов, охватывающих позвоночник по всей его длине, согласно изобретению после этого на каждом исходном изображении аксиальных срезов находят осевые центры позвонков и позвоночного канала, проводят между осевыми центрами соединяющую линию, после чего получают три набора новых изображений, при этом при получении первого набора изображений каждое исходное изображение поворачивают относительно точки, лежащей посередине между осевыми центрами, так, что соединяющая линия ориентирована вертикально, кроме того, полученное изображение дополнительно перемещают параллельно вертикали так, что соединяющая линия расположена на центральной вертикали, при получении второго и третьего наборов изображений каждое исходное изображение поворачивают относительно точки, лежащей посередине между осевыми центрами, так, что соединяющая линия ориентирована вертикально, кроме того, полученное изображение дополнительно перемещают перпендикулярно вертикали, при этом на центральной горизонтали изображения находится, соответственно, осевой центр позвоночного канала или осевой центр позвонка, после чего все полученные изображения переводят в цифровой формат, основанный на разбиении изображений по строкам и столбцам, столбцы от изображений первого набора используют для построчного построения сагиттальных срезов, а строчки от изображений второго и третьего наборов используют для построчного построения коронарных срезов.
Причинно-следственная связь между признаками заявляемой совокупности и техническими результатами, достигаемыми при ее реализации, заключается в следующем. Предлагаемые операции и изображения эквивалентны отображению (проецированию) объекта протяженной сложной формы не на плоской, а на искривленной (сложным образом) поверхности, кривизна которой соотнесена с геометрическими характеристиками позвоночника. При этом с помощью аксиальных срезов можно определить эти характеристики и задать соответствующую кривизну пространства с тем, чтобы на поверхность этого пространства спроецировать исследуемую структуру (позвоночник). На этой поверхности можно просмотреть всю структуру объекта. Такая визуализация имеет практическую значимость, если отображаемая структура является цилиндроподобной.
Позвоночник также можно представить в виде цилиндроподобных протяженных структур, если провести его дифференциацию на передний, центральный и задний сегменты. Основания для этого следующие. Анатомически позвоночник представляет собой конструкцию, включающую в себя позвоночный канал и костную структуру, представленную телами позвонков с их отростками, дужками, межпозвонковыми дисками и окружающими их связками. Назначение этой конструкции - обеспечить сохранность и нормальную работу спинного мозга, размещенного внутри позвоночного канала. Помимо стандартного разбиения (сверху вниз) на шейный, грудной, поясничный отделы можно ввести разбиение на сегменты - передний, задний и центральный, которые в норме отчетливо дифференцируются на MP-изображениях в сагиттальной проекции - примерно так, как на фиг.1С. Передне-задняя дифференциация на сегменты, которая будет использоваться далее в тексте, не является анатомическим стандартом, однако де-факто используется врачами-диагностами, поскольку патология каждого из указанных отделов дает свою клиническую специфику.
В рамках отмеченной выше дифференциации позвоночный канал, в котором располагается спинной мозг с его оболочками и отходящими от него нервами, локализован в центральном сегменте. Передний сегмент позвоночника представлен телами позвонков и примыкающими к ним межпозвонковыми дисками, а задний - дужками и отростками позвонков.
Структура переднего сегмента имеет особое значение для диагностики заболеваний позвоночника. Грыжи и протрузии дисков, а также костные разрастания по краям тел позвонков (остеофиты) могут воздействовать на позвоночный канал, а именно, спинной мозг и его корешки, вызывая так называемый корешковый синдром - боль и нарушение чувствительности по ходу нерва. Воздействие, кроме того, состоит в том, что выпячивание остеофитов или грыж в позвоночный канал кзади приводит к его локальным сужениям, из-за чего нарушается нормальное течение спинномозговой жидкости.
Что касается центрального сегмента, то его структура может быть патологически изменена не только из-за деформаций, обусловленных структурами переднего сегмента, но и из-за объемных образований, а также нарушения кровообращения в спинном мозге.
В силу того, что структуры заднего сегмента представлены в основном костными образованиями, они обладают наибольшей прочностью. Обычно их дегенеративно-дистрофические изменения не приводят к деформации позвоночного канала, а потому редко вызывают корешковый синдром, особенно, если не было травм или операций на позвоночнике.
В результате при диагностике заболеваний и повреждений позвоночника, основное внимание уделяется оценке состояния переднего и центрального сегментов. Диагностическую оценку удобно провести, если найти такой способ отображения этих сегментов, при котором они визуализируются как цельные структуры на всем протяжении позвоночника.
В предлагаемом способе визуализации позвоночника любой из его сегментов можно представить в виде цельной структуры на плоском изображении не только в норме, но и при наличии нарушения статики (сколиоза, кифоза).
Как уже отмечалось выше, идея метода в том, чтобы проводить отображение (проецирование) объекта протяженной сложной формы не на плоской, а на искривленной поверхности, кривизна которой соотнесена с геометрическими характеристиками исследуемого объекта, в частности, построить поверхности, проходящие параллельно (или перпендикулярно) структурным элементам, определяющим объект. Тогда по спроецированным на эти поверхности элементам объекта можно построить плоские образы, на которых будут представлены выбранные для визуализации структурные элементы.
Применительно к позвоночнику к таким структурным элементам можно отнести передний, центральный или задний сегменты в рамках вышеуказанного разбиения. А поверхности, на которые указанные структуры должны быть спроецированы в наиболее информативных ракурсах, должны проходить параллельно или перпендикулярно линиям, соединяющим осевые центры переднего и центрального отделов. Наибольший интерес для диагностики представляют три поверхности (проекции) - сагиттальная, охватывающая одновременно оба осевых центра - переднего и центрального сегментов по всей длине позвоночника, и перпендикулярные ей коронарные. Одна из коронарных проекций должна пройти через осевой центр позвоночного канала, а другая - через осевые центры всех позвонков. Тогда на сагиттальной проекции можно оценить состояние позвоночного канала, позвонков, дисков, взаимодействие переднего и центрального отделов. На коронарной проекции можно отобразить только какой-нибудь один из сегментов, зато можно оценить степень сколиотической деформации и состояние боковых корешков нервных окончаний. Хотя геометрические пропорции визуализируемых структур могут быть несколько искажены, однако для диагностики это не столь существенно, поскольку топологические особенности указанных структур останутся неизменными. В частности, если у патологического образования размытый контур, то при ее визуализации в искривленном пространстве он не приобретет четкую границу.
Таким образом, задача сводится к построению искривленных поверхностей, траектории которых соотнесены с траекторией соответствующего сегмента позвоночника.
В результате выбранной передне-задней дифференциации позвоночника каждый сегмент можно рассматривать как вытянутую по некоей траектории цилиндроподобную структуру. В норме это кривая, извитость которой выявляется на сагиттальной, но не просматривается на коронарной проекции, при сколиозе - сочетание двух S-образных изгибов, обнаруживаемых как в сагиттальной, так и в коронарной проекциях. Траектории структур, о которых речь шла выше, можно проследить на аксиальных срезах, на которых легко определяются осевые центры указанных структур, причем положение этих центров мало зависит от взаимной ориентации аксиальной плоскости и пересекающих ее цилиндроподобных элементов - тел позвонков и участков позвоночного канала.
Несложно представить, что деформации пространства должны соответствовать повороты и перемещения изображений в аксиальной плоскости. И если пространство искривлено так же, как и исследуемая структура, то в этом пространстве найдется поверхность, на которую можно спроецировать данную структуру, чтобы она выглядела неразрозненным объектом. Поэтому задача состоит в том, чтобы перемещениями и поворотами аксиальных изображений эмулировать необходимое искривление пространства для последующего проектирования на него исследуемой структуры.
Предлагаемый способ проиллюстрирован чертежами, где на фиг.1 представлены изображения позвоночника при сколиозе, получаемые разными методами - фрагменты А и В - традиционным методом, C,D,E - по предлагаемому методу, на сагиттальной проекции даны изображения всех сегментов, а на коронарной - переднего и центрального сегментов; на рис.2 - схема реализации способа визуализации позвоночника применительно к построению сагиттальной проекции.
Согласно предлагаемому способу сначала получали изображения в аксиальной проекции по всей длине позвоночника, при этом применяли обычную укладку пациента - на спине. Затем на каждом аксиальном срезе определяли осевые центры позвонка и позвоночного канала и через эти центры проводили соединительную линию. После этого строили три основных набора новых изображений, которые получались следующим образом.
Для получения первого набора изображений подбирался режим сканирования, для которого зона сканирования была повернута относительно точки, лежащей посередине между осевыми центрами, так, что соединяющая линия ориентирована вертикально, и, кроме того, эта зона дополнительно перемещена относительно исходной зоны сканирования параллельно вертикали так, что соединяющая линия была расположена на центральной вертикали зоны. Принцип построений показан на фиг.2, где схематично показано МРТ-изображение в аксиальной проекции - окружность отображает срез позвоночного канала, а эллипс - срез позвонка или межпозвоночного диска; отмечены осевые центры и соединяющая их линия. Фрагмент А отображает исходное изображение, полученное для исходной зоны сканирования. На фрагменте В показан принцип построения новой (повернутой и передвинутой) зоны сканирования, после чего получается, соответственно, повернутое и передвинутое относительно исходного изображение, которое представлено на фрагменте С. Сетка отображает цифровое разбиение изображения по строчкам и столбцам.
Для получения второго или третьего наборов изображений положение зоны сканирования задавалось таким образом, чтобы каждое исходное изображение было относительно него повернуто относительно точки, лежащей посередине между осевыми центрами, так, что соединяющая линия ориентирована вертикально. Кроме того, положение подготавливаемой для сканирования зоны дополнительно смещали перпендикулярно вертикали, при этом на центральной горизонтали зоны оказывались, соответственно, осевой центр позвоночного канала или осевой центр позвонка.
После сканирований получали наборы изображений в цифровом формате, основанном на разбиении изображений по строкам и столбцам. Столбцы от изображений первого набора использовали для построчного построения сагиттальных срезов, а строчки от изображений второго и третьего наборов использовали для построчного построения коронарных срезов.
Пример подобных построений для МРТ-исследований, проведенных с разрешением 2×2×2 мм, представлен на фиг.1, где на фрагментах А и В даны изображения, получаемые при обычном исследовании; на фрагменте С показан результат применения предлагаемого способа, дающего модифицированную сагиттальную проекцию, на которой изображение выглядит так, как если бы кифоз был сохранен, а сколиоз вовсе исчез; на фрагментах D, E соответственно, на модифицированной коронарной проекции изображение выглядит так, как если бы кифоза не было, а сколиоз сохранен.
Комбинируя перемещение новых зон сканирования в обоих ортогональных направлениях, переводили один из осевых центров в центр изображения. После преобразования этих комбинированных изображений в сагиттальную и коронарную проекции, получали изображения, на которых позвоночник выглядел как при выраженном лордозе - фрагменты F, G, Н. Диагностическое значение последних реконструкций пока неясно, но их можно использовать для тестирования предлагаемой методики.
Таким образом, применение предлагаемого метода дает возможность представить сегменты позвоночника как целостные структуры на всем его протяжении. Это, в свою очередь, повышает точность диагностики позвоночного канала, позволяет выявлять проблемные позвонки и межпозвоночные диски, упрощает оценку деформации позвоночника. В результате повышается информативность медицинского исследования в целом.