Сравнительный анализ и усовершенствование методов параллельной реконструкции изображений магнитно -резонансной томографии

Э.И. Коренберг.- 2005.- №2.- С. 131

2. Красноперова, Ю.Ю. Изменение состава микрофлоры кишечника при дисбиозе, вызванном инвазией простейшими Blastocystis hominis / Ю.Ю. Красноперова, Н.С. Глебова, А.М. Лазарев, А.В. Курзин // Материалы I конференции молодых ученых медико-биологической секции и поволжской ассоциации государственных университетов.- Ульяновск.- 2007.- C. 51-52.

3. Пушкарева, В.И. Паразитизм простейших как стратегия существования патогенных бактерий в почвах и водоемах / В.И. Пушкарева // Успехи современной биологии.- 2006.- №4.- С. 323-332.

4. Бухарин, О.В. Персистенция патогенных бактерий /

О.В. Бухарин.- М.: Медицина, 1999.

5. Новый метод определения антилактоферриновой активности микроорганизмов // Журн. Микробиол.- 2003.- №4.-С. 64-67.

6. Вестник ОГУ / Н.В. Немцева [и др.].- 2005.- 5 (43): 3540.

7. Лакин, Г. Ф. Биометрия (учебное пособие для биологических специальностей университетов) / Г.Ф. Лакин.- М., высшая школа.- 1990.

CHANGE OF FACTORS FOR THE PERSISTENCE OF ENTEROCOCCI UPON THE COCULTURE WITH THE SIMPLEST BLASTOCYSTIS HOMINIS

N.V. BUGERO, N.I. POTATURKINA-NESTEROVA Ulyanovsk State University

The paper presents the data on the dynamics of persistent characteristics of (ala, aga and alpha) enterococci in the process of co-cultivating with simplest blastocysts. the detection of persistent characteristics of enterococci in a monoculture and their indices' change at co-cultivating with simplest blastocysts replenish the studied range of mechanisms which provide symbiotic connections in protozoal and bacterial associations.

Key words: blastocystis hominis, enterococci, symbiotic connections, persistence, anti-lysozyme, anti-histone, anti-lactoferrin activeness.

УДК 389.001

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ

П.С. СЕРЕГИН*

Статья рассматривает современные методы параллельной реконструкции изображений магнитно-резонансной томографии. Результаты сравнительного анализа методов параллельной реконструкции изображений получены на базе моделирования и экспериментальных исследований. Отдельное внимание уделяется усовершенствованию методов SENSE и SPACE-RIP. Статья полезна специалистам, работающим с магнитно-резонансной томографией, так как в ней изложено влияние различных режимов реконструкции изображений на основные качественные параметры магнитно-резонансной томографии. Ключевые слова: магнитно-резонансная томография, параллельная реконструкция изображений магнитно-резонансной томографии, артефакты магнитно-резонансной томографии.

Магнитно-резонансная томография (МРТ) является современным и быстроразвивающимся методом медицинской визуализации. Многие характеристики МРТ систем сильно взаимосвязаны между собой. К примеру, если требуется получить высокое разрешение - необходимо увеличить число шагов фазового кодирования, что приводит к увеличению времени сканирования. Вместе с тем, при параллельной реконструкции изображений МРТ, время сканирования можно уменьшить путем увеличения фактора акселерации R. Однако, с увеличение фактора акселерации, существенно возрастает фактор геометрических искажений, который затрудняет оценку МРТ изображения.

Приведем несколько практических примеров, где наиболее остро прослеживается необходимость в точном определении параметров сканирования. Например, при МРТ исследовании печени довольно часто возникает сложность в дифференцирова-

нии гемангиомы и очагового поражения. При исследовании глубоких структур мозга с целью выявления рассеянного склероза важен достаточный уровень контраст/шум и пространственного разрешения. Однако, при длительном сканировании, возникает движение области сканирования (вследствие движений пациента или его внутренних органов) - что усугубляет ситуацию и требует уменьшения времени сканирования.

Таким образом, в медицинской клинической практике, выбор параметров сканирования и алгоритма реконструкции являются компромиссными и обуславливаются максимальной диагностической полнотой при минимальном времени сканирования. Поиск оптимальных параметров реконструкций является сложной задачей. Их оценка и исследование необходимы для улучшения качественных характеристик МРТ.

Бесспорно, качество МРТ изображений складывается из работы разных систем. Важно отметить тенденцию коммерческих МРТ сканеров: чем новее аппарат, тем более качественные снимки они способны получать. Это достигается улучшением в работе ряда систем: улучшение однородности поля и градиентных систем, уменьшения искажений в радиопередатчике и приемном тракте т.д. Поэтому качественные параметры МРТ сканеров определяются не только величиной постоянного магнитного поля и параметрами градиентных систем, но и типом антенных систем, а так же алгоритмами построения изображений. Таким образом, принципы построения и работы систем реконструкции МРТ сканеров являются актуальной задачей.

Существенным достижением обработки сигналов МРТ стало появление параллельных систем реконструкции. Параллельная реконструкция изображений является неотъемлемым атрибутом современных МРТ систем. По сравнению с классическими методами реконструкции (например, полным или частичным преобразованием Фурье) методы параллельной реконструкции позволяют извлекать дополнительную фазовую информацию. Это дает возможность сократить время исследования. В целом, к достоинствам параллельных методов реконструкции МРТ изображений следует отнести: сокращение времени сканирования, повышение коэффициента сигнал-шум изображений (этот фактор обусловлен не самими алгоритмами параллельной реконструкции, а многоканальными антенными системами), сокращение артефактов (искажений изображений) различного рода. Но вместе с тем присущ ряд недостатков: появление артефактов при высоком уровне акселерации, ухудшение коэффициента сигнал/шум изображения и т.д. Кроме того, данные недостатки усугубляются тем фактом, что их проявление носит сложный характер и зависит от ряда факторов.

Качество МРТ изображений принято оценивать следующими параметрами[3]: пространственное разрешение, коэффициент сигнал/шум (SNR), коэффициент контраст/шума, уровень артефактов (искажения изображения, AP). Более подробно расчет данных параметров описан в [1].

Экспериментально были получены следующие данные:

Таблица 1

Экспериментальные данные

Параметры Время, сек. SNR AP

1. Базовое сканирование 114 23,31156

2. Сканирование с усреднением N=2 205 23,00114 0,0074

3. Сканирование с уменьшенным числом фазового кодирования ^аз=50%, NFOVфаз=50% 33 9,79662 0,1341

4. Сканирование на основе реконструкции методом дробного преобразования Фурье pFT=4/8 80 23,32699 0,0237

5. GRAPPA алгоритм, R=2, ACS=54 64 22,86709 0,0300

6. MSENSE алгоритм, R=2, ACS=54 64 23,99354 0,0284

7. GRAPPA алгоритм, R=2, ACS=100 69 22,61349 0,0281

8. GRAPPA алгоритм, R=2, ACS=210 73 22,67724 0,0279

Примечание: данные, представленные в таблице, были получены с МРТ сканера Siemens Harmony 1T при следующих параметрах: матрица изображения: 320х320, TR=4490, TE=148, FOV=300x300,

T2 сагитальная проекция, iPAT spine антенная система.

* Тульский государственный университет, 300012, г. Тула, Пр.-т Ленина, д. 92, MRTTULA@vandex.ru

Таблица 2

Экспериментальные данные

Параметры Время, сек. SNR AP

1. Базовое сканирование 22 23,31156 0

2. Сканирование с усреднением N=2 47 23,00114 0

3. Сканирование на основе реконструкции методом дробного преобразования Фурье pFT=6/8 17 23,30699 0,007893

4. GRAPPA алгоритм, R=2, ACS=24 13 22,86709 0,007116

5. MSENSE алгоритм, R=2, ACS=24 13 23,49354 0,011285

6. GRAPPA алгоритм, R=2, ACS=90 18 22,61349 0,004542

7. GRAPPA алгоритм + усреднение, R=2, ACS=36 26 22,67724 0,003129

Примечание: данные, представленные в таблице, были получены с МРТ сканера Siemens Harmony 1T при следующих параметрах: матрица изображения: 320х320, TR=130, TE=7,49, FOV=300x300, T1 сагитальная проекция, iPAT spine+body антенная система.

Из табл. 1 и табл. 2 видно, что средства параллельной реконструкции изображений МРТ представлены автокалибруемы-ми методами (GRAPPA, mSENSE) и классическим преобразованием Фурье. По сравнению с базовым сканированием методы параллельной реконструкции изображений позволяют значительно сократить время сканирования, но снижают коэффициент сигнал/шум. Как следует из [2] SNR базового сканирования всегда выше, чем при параллельной реконструкции изображений. Однако, на практике расширение многоканальности и появление усовершенствованных антенных систем позволяет добиться высоких качественных показателей при параллельной реконструкции. Например, в коммерческом сканере Siemens Avanto (16 независимых приемных каналов) уровень артефактов гораздо ниже, чем в базовой версии МРТ Siemens Harmony (4 независимых приемных канала). Кроме того, из табл. 1 и 2 видна зависимость качества реконструкции от числа линий автокалибровки ACS.

Для исследования алгоритмов реконструкции с применением компьютерного моделирования, воспользуемся алгоритмами реконструкции изображений [1]. Результаты сравнения базовых алгоритмов параллельной реконструкции на базе 8 канальных данных исследований головного мозга:

Таблица 3

Исследование основных алгоритмов параллельной реконструкции изображений на основе моделирования

SNR AP

SENSE R=2 31 0,00024

R=3 24,1 0,78

SMASH R=2 31,1 0,0365

R=3 24,5 0,13

PILS R=2 30,5 0,02

R=3 24,7 0,21

GRAPPA R=2 32,3 0,0002

R=3 27,2 0,0220

SPACE-RIP R=2 32,3 0,0002

R=3 26,7 0,065

Мод. SPACE-RIP R=2 32,3 0,00018

R=3 26,7 0,03

Мод. SENSE R=2 31 0,00020

R=3 24,1 0,09

Из табл. 3 видно, что при высоком уровне фактора акселерации R наилучшие результаты показывают методы GRAPPA и SPACE RIP. Это обуславливает популярность этих методов (особенно GRAPPA) в коммерческих МРТ сканерах.

Для того, чтобы визуально оценить работу методов параллельной реконструкции изображений приведем изображения, полученные после реконструкции:

А Б В

Рис. 2. Сравнение результатов моделирования параллельных алгоритмов реконструкции: А - эталонное изображение, Б - метод SENSE при R = 4, В-регуляризированный метод SENSE R=4.

На рисунке 2А представлено эталонное изображение без применения ускорения и параллельных методов реконструкции

изображений. На рисунке 2Б хорошо заметны искажения изображения - артефакты, вызванные ошибками при реконструкции. Данные искажения особенно сильно проявляются при низком соотношении сигнал/шум изображения.

Для улучшения качества МРТ изображений применяют модифицированные методы реконструкции изображений [2], новые импульсные последовательности [4], модифицированные траектории заполнения К-пространства [5]. Рассмотрим один из модифицированных вариантов параллельной реконструкции изображений. Базовым математическим выражением для SENSE метода является интегральное уравнение. В табл. 3 метод «мод. SENSE» работает на основе регуляризации Тихонова и показывает снижение уровней артефактов с 0,78 до 0,033. На рисунке 2В показано изображение после регуляризации. Видно, что по сравнению с рис. 2Б наблюдается более четкое изображение.

В настоящее время широко исследуются методы улучшения базовых методов реконструкции изображения на основе теории функционального анализа и методов выпуклой оптимизации. Для улучшения SPACE-RIP метода автором данной статьи предложен гибридный вариант на базе 11-минимизации. В качестве метода минимизации используется комбинация случайного поиска и поиска методом сопряженных градиентов. Данный метод представлен в таблице 3 - «мод. SPACE-RIP». Видно, что он показывает устойчивую работу при R=3 (AP=0,03).

Негативным следствием регуляризации реконструкции изображений методом Тихонова является размытие краев изображений. При использовании метода сопряженных градиентов для регуляризации базового SPACE-RIP метода - данный эффект значительно снижен.

Отличие SPACE-RIP метода от GRAPPA заключается в том, что SPACE-RIP требует калибровки чувствительности методом предварительного сканирования, в то время как GRAPPA автока-либруется в процессе работы по ACS (автокалибровочным) линиям. Таким образом, GRAPPA метод более подходит для реконструкции подвижных объектов.

К недостатку SPACE-RIP метода следует отнести высокую вычислительную сложность. Однако данная проблема легко решается при реконструкции изображений на базе графических процессоров. Для исследования вычислительных затрат модифицированный метод SPACE-RIP был реализован на языке CUDA для графического адаптера NVIDIA GTX480. Результат показал возможность сократить время реконструкции в 5-50 раз по сравнению с использованием современных многоядерных центральных процессоров. Таким образом, в настоящее время имеется техническая возможность для реконструкции SPACE-RIP в реальном масштабе времени.

Значительно улучшить качество изображений после реконструкции позволяют специальные импульсные последовательности [4]. Правильный выбор параметров импульсных последовательностей способствует дальнейшему сокращению времени сканирования или улучшению визуализации отдельных структур.

Выводы:

1. Регуляризированный метод SPACE-RIP показал лучшие характеристики из методов с предварительной калибровкой чувствительности, а метод GRAPPA показал лучшие характеристики из методов с автокалибровкой.

2. Производительность современных устройств обработки данных позволяет выполнять параллельную реконструкцию изображений в реальном масштабе времени.

3. Усовершенствование алгоритмов параллельной реконструкции позволяет повысить устойчивость и снизить искажения изображений при высоких степенях акселерации МРТ сканирования (где R приближается к квадратному корню из числа каналов антенных систем МРТ). Это положительно скажется на улучшении визуализации динамических органов (легких, сердца, сосудов) и расширит возможности МРТ систем во врачебной практике.

Литература

1. Марусина, А.Я. Современные виды томографии /

А.Я. Марусина, А.О. Казначеева.- СПб: СПбГУ.- 2006.- 132с.

2. Серегин, П.С. Импульсные последовательности магнитнорезонансной томографии / П.С. Серегин // Вестник новых медицинских технологий.- 2011.- Т. 10.- № 3.- C. 265-267.

3. JIM, X. JI. PULSAR: A MATLAB Toolbox for Parallel

Magnetic Resonance Imaging Using Array Coils and Multiple Channel Receivers / X. JI JIM, JONG BUM SON // Magnetic Resonance Engineering. 2007.- v.31B, n. 1, p.24-36.

4. Schoenberg, SO. Parallel imaging in clinical MR applications / SO. Schoenberg, O. Dietrich O, MFReiser // Springer, 2006.- 564 p.

5. Leslie, Ying. A Statistical Approach to SENSE Regularization With Arbitrary k-Space Trajectories/ Ying Leslie, Bo Liu, Michael C. Steckner, Gaohong Wu, Min Wu, and Shi-Jiang Li. // Magnetic Resonance in Medicine Volume 60, Issue 2, August 2008, Pages: 414^21.

COMPARATIVE ANALYSIS AND IMPROVEMENT OF PARALLEL RECONSTRUCTION METHODS IN MAGNETIC RESONANCE IMAGING

P.S.SEREGIN Tula State University

This article is about modern method for parallel imaging magnetic resonance reconstruction. The results of comparative analysis of the method was built with modeling and experimental researches. The questions of improvement SENSE and SPACE-RIP method is proposed with special attention. This work is useful for magnetic resonance imaging specialist, because it tells dependencies of different modes and parameters influence on basic image qualities.

Keywords: magnetic resonance imaging, parallel imaging reconstruction, artifact in imaging.

УДК 616.441-006

МЕДИКО-ДЕМОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ТАКТИКА ВЕДЕНИЯ ПАЦИЕНТОВ С УЗЛОВЫМ ЗОБОМ В ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ.

Ю.В. БУРЯКОВА*, С.А. ПРИЛЕПА**

В статье изложены результаты анализа структуры тиреоидной патологии среди жителей Тульской области, среди госпитализированных больных, динамика заболеваемости узловым зобом за 2005-2010 г. г., а также освещен современный подход к ведению пациентов с узловым зобом.

Ключевые слова: тиреопатии, узловой зоб, медико-демо-

графическая характеристика, тактика ведения, госпитализированные больные.

Болезни желез внутренней секреции оказывают значительное влияние на состояние здоровья населения, причем заболеваемость ими неуклонно растет. Так, по данным В.А. Медика,

В. К. Юрьева, за 5 лет в Российской Федерации частота болезней эндокринной системы увеличилась в три раза. При этом доминирующее место среди эндокринопатий занимают болезни щитовидной железы [1]. Тиреопатии имеют наиболее принципиальное значение в работе эндокринолога, поскольку около 40% пациентов обращаются в специализированные эндокринологических учреждения по поводу заболеваний щитовидной железы [2]. В России вопрос тиреоидных дисфункций стоит особенно остро, что связано с прерыванием в 80 годах ХХ столетия системы мероприятий по йодной профилактике и последствием экологической катастрофы в Чернобыле. Негативные последствия этой экологической катастрофы привели к дальнейшему росту распространенности патологии щитовидной железы в России. Наиболее часто встречающаяся патология щитовидной железы - узловой и многоузловой эутиреоидный зоб, составляющие в общей структуре заболеваний щитовидной железы от 25 до 62% [4]. В подавляющем большинстве случаев речь идет об узловом коллоидном пролиферирующем зобе [3]. Узловой и многоузловой токсический зоб являются ниаболее частыми причинами тиреотоксикоза в пожилом возрасте. Вероятность злокачественной опухоли в пальпируемом узле щитовидной железы варьирует от 0.45% до 13% и в среднем составляет 4.1% [4]. Высокая распространенность и неуклонный рост тиреопатологии, а также онкологическая настороженность в отношении узловых образований щитовидной железы и значительная частота сердечно-сосудистых осложнений тиреоидной дисфункции определяют высокую медицинскую и социальную значимость узлового зоба.

* ГОУ ВПО «Курский государственный медицинский университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию»,

300005, г. Тула, 1-й Проезд, дом 14 ГУЗ ТО «Тульская областная клиническая больница», г. Тула, ул. Декабристов, дом 6, кв. 64.

Цель исследования - провести анализ структуры тиреоидной патологии среди жителей Тульской области в целом, а также среди госпитализированных больных, оценить динамику заболеваемости узловым зобом за 2005-2010 г., обосновать современные принципы ведения пациентов с узловым зобом.

Материалы и методы исследования. Данные получены путем анализа территориального регистра больных с тиреоидной патологией города Тула, а также карт 1202 больных, госпитализированных с различной тиреоидной патологией в эндокринологическое отделение Городской больницы №2 г. Тула в 20032010 годах. Результаты исследования обрабатывались с использованием стандартных методов вариационной статистики, используемых при сравнении средних величин, интенсивных и экстенсивных показателей. Критический уровень значимости при проверке статистических гипотез принимали равным 0.05.

Результаты и их обсуждение. При анализе структуры ти-реоидной патологии у жителей Тульской области за 2010 год очевидна лидирующая позиция узлового зоба среди заболеваний щитовидной железы, причем преимущественно за счет узлового эутиреоидного зоба. Среди всех пациентов с тиреопатиями в Тульской области, состоящих на учете у эндокринолога, больные узловым зобом составляют 36.22% (6839 человек), среди них по поводу узлового эутиреоидного зоба наблюдаются 34.39% (6492 человека). Из пациентов с заболеваниями щитовидной железы, впервые выявленными в 2010 году, лица с узловым зобом составляют 41.82% (657 человек), среди которых узловой токсический зоб был диагностирован лишь у 4.32% (68 человек), у 37.49% (589 человек) отмечался эутиреоз (табл. 1).

Таблица 1

Структура тиреоидной патологии у жителей Тульской области

Нозология Число пациентов с различными тиреопатиями, состоящих на учете у эндокринолога Число пациентов с различными тиреопатиями с впервые установленным диагнозом

Диффузный токсический зоб 1074 139

Узловой токсический зоб 347 68

Узловой эутиреоидный зоб 6492 589

Диффузный эутиреоидный зоб 4779 258

Аутоиммунный тиреоидит 4356 395

Рак щитовидной железы 1832 122

Динамика заболеваемости узловым зобом жителей Тульской области представлена в табл. 2.

Таблица 2

Заболеваемость тиреопатиями у жителей Тульской области в 2005-2010 гг.

Число пациентов с соответствующим тиреоидным заболеванием

Год Узловой токсический зоб Узловой эутиреоидный зоб

Всего С впервые Всего С впервые

состоит установленным состоит установленным

на учете диагнозом на учете диагнозом

2005 176 69 6141 619

2006 212 41 6704 725

2007 319 51 6492 691

2008 262 53 6801 715

2009 307 56 6437 715

2010 347 68 6492 589

Анализ данных, представленных в табл. 2, не выявил существенной динамики заболеваемости узловым эутиреоидным зобом среди жителей Тульской области за указанные годы. Число пациентов с данной патологией, состоявших на учете у эндокринолога, составило от 6141 в 2005 году до 6492 в 2010 г. Количество больных, у которых узловой эутиреоидный зоб диагностирован впервые, несколько увеличилось в 2006 году, по сравнению с 2005 годом (с 619 до 725 человек), в течение последующих трех лет оставаясь относительно стабильным (691-715 человек в год). В 2010 году впервые зарегистрировано на 18% меньше больных с узловым эутиреоидным зобом по сравнению с 2009 годом (589 человек).

Распространенность узлового токсического зоба в Тульской области прогрессирующе увеличивается. За последних 5 лет ко-