СПОСОБ СОВМЕЩЕНИЯ МУЛЬТИМОДАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ГОЛОВНОГО МОЗГА
METHOD OF COMBINING MULTIMODAL BRAIN IMAGES

Изобретение относится к медицине, а именно к радиологии, и может найти применение для диагностики и хирургического лечения функциональных расстройств и новообразований головного мозга.
Комплексное использование совмещенных изображений различной модальности - изображений, полученных на томографах, работающих на различных физических принципах, становится повсеместной нормой в лечении и диагностике сложных заболеваний и поражений центральной нервной системы
Как правило, изображения различной модальности эффективно дополняют друг друга. Например, изображения, получаемые с помощью методик ядерной медицины, отражают функциональные характеристики исследуемого мозга, однако методы ядерной визуализации имеют относительно низкое пространственное разрешение. Поэтому нередко при анализе данных позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) возникают сложности с локализацией обнаруженных патологических изменений. Эту проблему в большинстве случаев позволяет решить совмещение мультимодальных изображений, полученных с помощью методов, выявляющих структурные (магнитно-резонансная и компьютерная томографии (MPT, КТ) и функциональные ОФЭКТ, ПЭТ изменения [Zaidi Н, Montandon ML, Alavi A. The clinical role of fusion imaging using PET, CT, and MR imaging // Magn. Reson. Imaging. Clin. N. Am., 2010. №18(1), P. 133-149].
Методам совмещения и корегистрации медицинских изображений посвящены многочисленные обзоры, главы монографий и диссертации [Hajnal J., Hawkes D., Hill D. Medical image registration, 2001. 382 p.]. Наибольшее распространение в клинической практике получили высокоточные методы совмещения изображений головного мозга, опирающиеся на систему фиксированных на голове пациента точечных ориентиров (fiducials), различимых на получаемых изображениях в применяемых модальностях. Неподвижность костей черепа пациента позволяет использовать при совмещении изображений простые математические алгоритмы «перемещения твердого тела» по совпадающим ориентирам [Pohjionen Н., Nikkinen P., et. al. Registration and display of brain SPECT and MRI using external markers Neuroradiology, 1996 V. 38. P. 108-114].
Внешние маркеры, фиксированные на голове пациента, используются всеми известными нейрохирургическими навигационными системами, как для совмещения многомодальных предоперационных томографических изображений головы пациента, так и для так называемой «регистрации» пациента (совмещение предоперационных объемных томографических изображений с реальным расположением головы в пространстве операционной).
Принципиально общая схема совмещения получаемых (бимодальных) изображений выглядит следующим образом. На изображениях для каждой модальности различными методами определяются центры маркеров, после чего, согласно некоторому критерию, находят математическое преобразование, оптимально совмещающее в пространстве два множества точек, состоящих из центров маркеров каждой модальности. После этого выполняют найденное преобразование.
В качестве внешних маркеров используются, например, приклеиваемые накожные маркеры, однако подвижность кожного покрова головы существенно сказывается на точности совмещения. Также известны точечные маркеры, ввинчиваемые под анестезией в кости черепа. Их главным недостатком является инвазивность фиксации и связанный с ней риск инфицирования [Jennifer R. et. al. Comparison between skin-mounted fiducials and bone-implanted fiducials for image-guided neurosurgery // Medical Imaging, 2004].
На рынке представлен широкий ассортимент мультимодальных маркеров, различных по форме, размеру и составу.
Наиболее близким к предлагаемому методу совмещения изображений является способ с использованием фиксации контрастных для применяемых томографов различных модальностей маркеров с помощью конструкции, фиксируемой на зубах верхней челюсти пациента [Capek М. et al. Multimodal medical volume registration based on spherical markers // WSCG, 2001. P. 17-24].
На вакуумном зубодержателе, включающем оттиск зубов верхней челюсти пациента (VBH mouthpiece), устанавливается референтная рама (локализатор) с двенадцатью MPT/КТ контрастными сферическими двухмодальными маркерами известного диаметра. Пациент прикусывает зубодержатель с фиксированной референтной рамой. Последовательно проводится сканирование головы пациента с помощью MP- и КТ-томографов. На полученных объемных изображениях для каждой модальности находят изображения всех маркеров. С помощью специального программного обеспечения находят «центры» маркеров. При этом возможны режимы автоматического и полуавтоматического обнаружения маркеров. При полуавтоматическом обнаружении сами маркеры находятся вручную оператором. Программно определяются парные изображения маркеров на томограммах различной модальности. С помощью стандартных методов определяют оптимальные параметры сдвига и поворота для изображения головы пациента в одной модальности (например, КТ) по отношению к изображению в другой модальности (МРТ). Реализуют найденное оптимальное совмещение.
К достоинствам способа-прототипа относятся:
- высокоточное и воспроизводимое позиционирование локализатора, с фиксированными на нем сферическими двухмодальными маркерами, относительно верхней челюсти пациента;
- возможность быстрого автоматического поиска и центрирования маркеров на изображениях;
- атравматичность фиксации маркеров.
Вместе с тем, способ не лишен недостатков:
- способ описан как универсальный, однако он ориентирован в основном на совмещение МРТ/КТ изображений и не позволяет совмещать изображения, полученные в томографах трех и более модальностей (например, ПЭТ, КТ и МРТ), что ограничивает возможность его применения;
- основным недостатком является предположение, что центры изображений маркеров, полученных на томографах, работающих на различных физических принципах, расположены одним и тем же образом относительно точек внутримозгового пространства головы пациента, что снижает его точность.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении точности совмещения томографических изображений, полученных в двух и более модальностях, за счет универсальности системы координат измерительного устройства, позволяющей проводить преобразование координат точек для неограниченного количества локализаторов с индивидуальными системами координат и мономодальными маркерами, оптимально подобранными для каждого томографического метода - для наилучшей контрастности изображения маркеров, при атравматичности, неинвазивности фиксации маркеров.
Этот результат достигается тем, что в известном способе совмещения мультимодальных изображений головного мозга, включающем фиксацию на черепе маркеров посредством конструкции, состоящей из локализатора с маркерами и прикрепленного к нему лотка с оттиском зубов, закрепляемой на верхней челюсти пациента при проведении томографического исследования, и получением мультимодальных томографических изображений, согласно изобретению
используют мономодальные маркеры с индивидуальной для каждой модальности геометрией расположения маркеров на локализаторе,
маркеры каждой модальности крепят на соответствующий локализатор и проводят исследование на томографах соответствующей маркерам модальности, получая серии изображений головного мозга с маркерами,
последовательно определяют координаты маркеров локализатора соответствующей модальности и строят координатную систему локализатора первой модальности во внутренней системе координат томографа первой модальности и далее - каждого локализатора в системе координат томографа каждой из следующих модальностей,
затем поочередно фиксируют локализаторы используемых модальностей на измерительном устройстве, определяя координаты маркеров локализаторов в системе координат измерительного устройства и строят системы координат локализаторов в системе координат измерительного устройства,
совмещают томографические изображения, определяя координаты выбранной точки изображения внутримозгового пространства пациента, полученного с помощью томографа первой модальности, вначале в системе координат локализатора первой модальности с последующим преобразованием координат этой точки из системы координат локализатора первой модальности в систему координат измерительного устройства, а затем - в систему координат локализатора следующей модальности и далее - в систему координат томографа соответствующей модальности.
Определение координат всех маркеров в трехмерной системе координат измерительного устройства дает возможность произвести взаимные преобразования систем координат локализаторов и томографов, что позволяет выполнять маркеры мономодальными (индивидуальными для каждого томографа).
Использование измерительного устройства с единой системой координат позволяет производить преобразование неограниченного количества локализаторов с мономодальными метками, подобранными для каждого томографического метода, и индивидуальными системами координат, что расширяет область применения способа.
Выполнение маркеров мономодальными обеспечивает повышение точности нахождения центров маркеров на томографических изображениях ввиду их физической однородности, что позволяет повысить точность совмещения томографических изображений. Кроме того, это позволяет подобрать оптимальный состав маркера, дающий наибольшую контрастность на томографических изображениях в сравнении с «универсальными» двухмодальными маркерами.
Индивидуальная геометрия расположения маркеров на локализаторах дает возможность располагать маркеры оптимально по отношению к области интереса во внутримозговом пространстве и адаптировать геометрию расположения их к условиям проведения томографического исследования.
Для лучшего понимания сущности заявляемого способа приводим последовательность действий:
1. С помощью зубоврачебной оттискной массы, размещенной в специальном лотке (см. фиг. 1а), изготавливают оттиск зубов и альвеолярного отростка пациента. Затем лоток закрепляют на локализаторе с маркерами, различимыми на томографе первой модальности (например, на МРТ-локализаторе, имеющем в своей конструкции контрастные для магнитного резонанса метки, фиг. 1б). После этого голову пациента с закрепленным на ней локализатором первой модальности помещают в томограф и проводят исследование, в результате которого получают серию изображений головного мозга с маркерами.
2. Проводят аналогичное исследование головы пациента на томографе второй модальности, фиксируя на зубах тот же лоток с закрепленным на нем локализатором второй модальности.
3. Находят сечения головы, содержащие изображения маркеров локализатора в серии изображений головы пациента, полученных на томографе первой модальности (см. фиг. 3б).
4. Измеряют томографические координаты маркеров локализатора первой модальности (см. фиг. 3а).
5. Находят сечения, содержащие изображения маркеров локализатора в серии изображений головы пациента, полученных на томографе второй модальности.
6. Измеряют томографические координаты маркеров локализатора второй модальности.
7. Строят координатную систему локализатора первой модальности во внутренней системе координат томографа первой модальности при помощи разработанного программного обеспечения, определяя при этом положение начала координат и матрицы векторов, коллинеарных осям системы координат локализатора (см. фиг. 2).
8. При помощи программного обеспечения аналогично строят координатную систему локализатора второй модальности во внутренней системе координат томографа второй модальности.
9. Поочередно фиксируют оба локализатора на посадочном месте измерительного устройства (см. фиг. 4а и 4б).
10. Измеряют координаты маркеров обоих локализаторов в системе координат измерительного устройства. При помощи программного обеспечения строят координатные системы локализаторов в системе координат измерительного устройства, определяя положения начал координат и матрицы векторов, коллинеарных осям систем координат локализаторов.
11. Определяют положение выбранной точки внутримозгового пространства пациента (точки изображения, полученного с помощью томографа первой модальности) в системе координат локализатора первой модальности во время проведения томографического исследования.
12. Преобразуют координаты точки, найденные в п. 11, из системы координат локализатора первой модальности в систему координат измерительного устройства с помощью соответствующей матрицы, полученной в п. 10. Таким образом, определяют положение точки, найденной в п. 11, в системе координат измерительного устройства на момент фиксации локализатора первой модальности на посадочном месте измерительного устройства (см. фиг. 4б).
13. Преобразуют координаты точки, найденные в п. 12, из системы координат измерительного устройства в систему координат локализатора второй модальности с помощью соответствующей матрицы, полученной в п. 10. То есть определяют положение точки, найденной в п. 12, в системе координат локализатора второй модальности на момент его фиксации на посадочном месте измерительного устройства (см. фиг. 4б).
Точка с координатами в системе координат локализатора второй модальности, найденными в п. 13, совпадает с переводимой точкой внутримозгового пространства, соответствующей выбранной точке на изображении, полученном в томографе первой модальности, когда локализатор второй модальности зафиксирован на голове пациента с помощью зубного оттиска.
14. Определяют положение переводимой точки в системе координат томографа второй модальности. Координаты точки, найденные в п. 13, с помощью данных, полученных в п. 8, преобразуют из системы координат локализатора второй модальности в систему координат томографа второй модальности.
Проведенные таким образом преобразования позволяют выполнить совмещение томографических изображений и схематично представлены на фиг. 5.
Сущность способа поясняется примером.
Больной Д., 1952 года рождения, поступил в хирургическое отделение ИМЧ РАН 14.09.15 с диагнозом: глиобластома правой височной доли, эпилептиморфный синдром.
Поступил с жалобами на общую слабость, гиподинамию, рассеянность, снижение памяти, единичный первично генерализованный припадок от 24.08.2015. При проведении МРТ головного мозга обнаружена внутримозговая опухоль правой височной доли.
Объективно: состояние при поступлении компенсированное, клиническая картина представлена общемозговыми симптомами, снижением оперативной памяти в сочетании с ирритационной симптоматикой.
11
Принято решение провести ПЭТ/КТ с С-метионином и МРТ с изометрической Т1 импульсной последовательностью (Т1-ВИ) головного мозга с локализаторами. 17.09.2015. Пациенту изготовлен индивидуальный зубной оттиск на основе титанового лотка и термопластичной стоматологической массы «Стенс». МРТ- и КТ-локализаторы поочередно были закреплены на посадочном месте измерительного устройства, после чего были измерены их координаты (в системе координат измерительного устройства).
Выполнены МРТ и ПЭТ/КТ исследования головного мозга пациента с использованием МРТ- и КТ-локализаторов соответственно. Исследования проводились на томографах: магнитно-резонансный томограф Philips Achieva 3 Тл (с рабочей станцией), совмещенный ПЭТ/КТ сканер General Electric Discovery 710 (с рабочей станцией).
В серии КТ изображений головы пациента были найдены сечения с изображениями маркеров КТ-локализатора и измерены координаты маркеров в системе координат КТ-томографа. Аналогично, в серии МРТ изображений головы пациента были найдены сечения с изображениями маркеров МРТ-локализатора и измерены координаты маркеров в системе координат МРТ-томографа.
На серии ПЭТ-изображений определяется кольцевидный очаг  (фиг. 6а) повышенного накопления РФП в передних отделах правой височной доли. Реконструировано плоское изображение, на котором образование отображено полностью.
На КТ-изображении головы пациента, пространственно идентичном реконструированному ПЭТ-изображению, структурные изменения в области повышенного накопления РФП четко не дифференцируются.
Далее, на полученном КТ-изображении (фиг. 6б) были выбраны три точки, затем были измерены их координаты в системе координат КТ-томографа. Координаты каждой точки преобразованы последовательно в систему координат КТ-локализатора, затем в систему координат измерительного устройства, затем в систему координат МРТ-локализатора и, наконец, в систему координат МРТ-томографа. Через три преобразованные точки проведена плоскость (фиг. 6в), соответствующая выбранному реконструированному ПЭТ-изображению очага накопления РФП. На полученном МРТ-срезе (фиг. 6в) в передних отделах правой височной доли в области верхней височной извилины определяется с четкими контурами крупное патологическое объемное образование неоднородной структуры, гипоинтенсивное на Т1-ВИ, которое окружено выраженным перифокальным отеком. Прилежащие к образованию ликворосодержащие пространства имеют тенденцию к сдавлению (компримированы).
20.09.15 г. выполнена операция: костнопластическая краниотомия в правой лобно-височной области, удаление опухоли правой височной доли под контролем безрамной нейронавигации и нейрофизиологическим мониторингом. Гистология: анапластическая астроцитома. После операции - пациент в ясном сознании, без нарастания очаговой неврологической симптоматики. Отмечено гладкое течение послеоперационного периода, швы сняты, пациент выписан 20.10.15 г. в удовлетворительном состоянии на амбулаторное лечение. Рекомендована явка в клинику через месяц для контрольного осмотра.
Вывод: благодаря совмещению ПЭТ/КТ и МРТ изображений удалось определить форму, размер и локализацию опухоли, оценить кровоснабжение новообразования и окружающих тканей, а также вовлеченность в патологический процесс смежных структур и тщательно спланировать оперативное вмешательство.
К настоящему времени в ИМЧ РАН с использованием предлагаемого способа проведено совмещение ПЭТ/КТ и МРТ изображений у пяти пациентов, что позволило облегчить диагностическую задачу локализации объемных образований головного мозга, осуществить детальное планирование стереотаксических вмешательств и избежать типичных ошибок повреждения стенки сосудов в ходе операций.
Предлагаемый способ по сравнению с известными имеет ряд существенных преимуществ.
1. Обеспечивает повышение точности совмещения томографических изображений, что выгодно отличает его от прототипа и других известных способов.
2. Позволяет совмещать изображения головного мозга, полученные в более чем двух модальностях, что расширяет область его применения.
3. Обеспечивает атравматичность и неинвазивность фиксации маркеров в отличие от способов, в которых маркеры фиксируются в костях черепа пациента.
4. Обеспечивает корректность математических алгоритмов совмещения изображений и минимизацацию погрешности определения координат маркеров в результате жесткой фиксации локализаторов, в отличие от способов, использующих накожные маркеры.
Способ разработан в ИМЧ РАН и прошел клиническую апробацию у пяти пациентов с положительным результатом.