ТЕСТ-ОБЪЕКТ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ ЛЕГКИХ

Полезная модель относится к медицине, а именно к тест-объектам для компьютерной томографии, и может быть использована для повышения точности компьютерной томографии путем проверки соответствия полученных чисел Хаунсфилда (HU) референтным значениям, а также для обучения и тестирования компьютерной системы распознавания участков гипервоздушности на компьютерных томограммах легких.
Известен тест-объект, представляющий собой несколько фантомов поперечных срезов грудной клетки на разных уровнях с участками, плотностью соответствующими жировой и мышечной ткани, губчатой и компактной костной ткани и легочным узелкам. Данные участки изготовлены из сочетания синтетических материалов с добавлением карбоната кальция. Фантомы предназначены для повышения точности диагностики легочных узелков. Предложено сканировать данный тест-объект непосредственно после исследования пациента и сравнивать плотность обнаруженного узелка с плотностью имитации узелка в тест-объекте. Аналог предназначен только для оценки узелковых изменений и не позволяет оценить точность распознавания патологических процессов, сопровождающиеся снижением плотности паренхимы легких [1].
Известен тест-объект, состоящий из наружного кольца, внутри которого расположен губчатый материал с рентгеновской плотностью -856 HU, внутри которого располагаются цилиндрический сосуд с дистиллированной водой, отверстие диаметром 3 см и акриловый цилиндр диаметром 3 см. Данный тест-объект предназначен для проверки точности денситометрических показателей, устанавливаемых при компьютерной томографии легких на томографах разных производителей при различных уровнях напряжения и силы тока на рентгеновской трубке. При наличии существенных отклонений от референтной плотности необходима внеплановая калибровку томографа [2].
Недостатком известного тест-объекта является то, что денситометрический губчатый материал имеет единственное значение плотности - 856 HU, что соответствует неизмененной легочной ткани. Это ограничивает возможности прототипа, поскольку основной целью денситометрических оценки легочной ткани при компьютерной томографии является выявление наличия и тяжести эмфизематозных изменений, для которых характерны другие показатели плотности.
Данный тест-объект был взят нами за прототип.
Известно [2], что точность компьютерных томографов для разных денситометрических уровней отличается, то есть измеренная плотность губчатого материала может соответствовать референтной, а измеренная плотность воздуха в не соответствует общепринятому показателю плотности воздуха - 1000HU [3]. Доказано, что легочной ткани с умеренной эмфиземой соответствует рентгеновская плотность -910 HU, а выраженной эмфиземе соответствует плотность -950 HU [4]. Таким образом, измерения плотности эмфизематозной ткани после калибровки данным тест-объектом могут иметь привести к диагностическим ошибкам.
Технический результат полезной модели - повышение точности измерения плотности тканей при компьютерной томографии с учетом явления «воздушных ловушек» при измерении плотности легочной ткани.
Этот результат достигается тем, что тест-объект состоит из четырех слоев губчатого материала, имеющих форму параллелепипедов, соединенных между собой; три слоя толщиной 50 мм с плотностями равными -950 HU, -910 HU и 856 HU; четвертый нижний слой толщиной 100 мм и плотностью -856 HU; внутри данного слоя располагаются неправильно-звездчатой формы включения, занимающие 40% объема четвертого слоя, из них 20% занимают включения плотностью -950HU и 20% включения плотностью -910 HU.
Тест-объект для компьютерной томографии легких иллюстрируется графическим материалом; на фигуре 1 изображен тест-объект, состоящий из слоя 1 с плотностью -856HU, слоя 2 с плотностью -910 HU, слоя 3 с плотностью -950HU, слоя 4 с плотностью -856 HU, в котором расположены включения 5 с плотностью -910HU и включения 6 с плотностью -950 HU.
Специализированные компьютерные программы, входящие в состав программного обеспечения для диагностики эмфиземы легких, позволяют определить долю эмфизематозной ткани, причем денситометрический уровень для выявления последней может быть установлен произвольно. В дальнейшем, если при калибровке с помощью тест-объекта обнаружено, что измеренные плотности его слоев не соответствуют референтным, необходимо провести коррекцию уровня, ниже которого легочная паренхима считается эмфизематозно измененной и провести внеплановую калибровку медицинского прибора. Таким образом, использование слоев губчатого материала с различными плотностями является существенным признаком полезной модели, обеспечивающим получение референтных значений при различной тяжести заболевания. Наличие слоя губчатого вещества с плотностью неизмененной легочной ткани (-856HU) и включениями пониженной плотности также является существенным признаком полезной модели, так как обеспечивает соответствие тест-объекта патологическим изменениям, характерным для гетерогенной эмфиземы легких.
Использование тест-объекта осуществляется следующим образом.
После проведения группе пациентов компьютерной томографии легких для выявления эмфиземы, при тех же физических условиях (напряжение и сила тока на трубке) проводят сканирование тест-объекта. Врач-рентгенолог на рабочей станции измеряет денситометрические показатели двух слоев губчатого вещества путем помещения зоны интереса квадратной формы размерами 20x20 мм и размером по z-оси 20 мм в центр каждого слоя и в пространство за пределами тест-объекта для измерения рентгеновской плотности воздуха.
В случае если полученные результаты не соответствует референтным, рекомендуется внеплановая калибровка компьютерного томографа, а также изменение уровня эмфизематозной ткани в специализированной программе по выявлению эмфиземы.
Участки пониженной плотности, неправильной формы используются для обучения компьютерной системы распознавания воздушных ловушек - участков повышенной воздушности, выявляемых при экспираторной компьютерной томографии, которые свидетельствуют о наличии обструкции бронхиол.
Изобретение иллюстрируется следующим примером клинического использования.
Пример 1. Проведено обследование на компьютерном томографе 11 пациентов из группы риска по хронической обструктивной болезни легких (стаж курения от 14 до 45 лет). Возраст пациентов мужского пола составил от 56 лет до 71 года. У пациентов получено информированное согласие на проведение диагностического исследования. Показатели тока на рентгеновской трубке: 120 KV и 100 mA. Томограммы были проанализированы при помощи клинического приложения Thoracic VCAR, GE. Выявленный процент эмфизематозной ткани составил от 8,9 до 32,1%. Проведено сканирование тест-объект при тех же физико-технических параметрах работы рентгеновской трубки. Установлены рентгеновские плотности сканированного тест-объекта: -916 HU у слоя с референтным уровнем -910HU и -954 HU у слоя с референтным уровнем -950HU. На основании полученных данных эмфизематозный уровень плотности в приложении Thoracic VCAR установлен на уровне -954HU. После этого процент эмфизематозно измененной легочной ткани у обследуемых пациентов составил от 6,1 до 28,5%. Применение тест-объекта позволило избежать ошибок в оценке распространенности эмфиземы.
Пример 2. Для разработки алгоритмов цифровой системы анализа компьютерных томограмм легких проведено испытание различных методов математической обработки изображения для выделения эмфизематозных участков легочной ткани. Использование предложенного тест-объекта позволило установить оптимальные значений следующих параметров компьютерной программы: 1) размер скользящего окна; 2) шаг перекрытия скользящего окна; 3) уровни верхнего и нижнего порогов при сегментации изображения. Применение полученных данных позволило получить ошибку определения площади включений с измененной плотности в тест-объекте, которая не превышает допустимого в медицинских исследованиях (вероятности безошибочного определения 95%).
Таким образом, предложенный тест-объект позволяет повысить точность диагностики (обнаружения) и определения тяжести эмфиземы легких, а также производить обучение системы по автоматическому выявлению «воздушных ловушек». Это устройство может быть использовано в работе кабинетов компьютерной томографии, в которых проводятся обследования пациентов с легочной патологией.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. E.A. Zerhouni Radiographic test phantom for computered tomography lung nodule analysis. Patent number 4646334, 24.02.1987
2. J.P. Sieren et al. Reference standard and statistical model for intersite and temporal comparisons of CT attenuation in a multicenter quantitative lung study. Medical Physics, Vol.39, No. 9, September 2012
3. М. Хофер. Компьютерная томография. Базовое руководством., Медицинская литература - 2007. с.16.
4. Gietema Н.А. et al. Jan; Distribution of emphysema in heavy smokers: impact on pulmonary function. Respir Med. 2010 Jan; 104(1):76-82