Обработка данных в радионуклидной диагностике

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 519.6:004.9

ОБРАБОТКА ДАННЫХ В РАДИОНУКЛИДНОЙ ДИАГНОСТИКЕ*

Е.Д. Котина1, Д.А. Овсянников1, В.А. Плоских1, А.В. Бабин1, О.Ф. Тузикова2

1Санкт-Петербургский государственный университет, 2Федеральный научно-клинический центр специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий Федерального медико-биологического агентства, г. Москва

В настоящее время радионуклидная диагностика является высокотехнологичной областью медицины, развитие которой требует решения задач, связанных как с совершенствованием аппаратных средств, так и с математической обработкой информации, получаемой в ходе исследований. Математическое и программное обеспечение обработки данных радионуклидных исследований позволяет определять широкий спектр физиологически значимых параметров.

Ключевые слова: радионуклидная диагностика, однофотонная эмиссионная компьютерная томография, математическая и компьютерная обработка данных.

В настоящее время в лучевой диагностике, а также в лучевой терапии все большую роль играют математические методы анализа и компьютерная обработка материалов [1-4, 9]. Ра-дионуклидные методы являются одними из самых современных методов функциональной диагностики различных заболеваний на ранних стадиях. Исследования проводятся с помощью гамма-камер или однофотонных эмиссионных компьютерных томографов (ОФЭКТ), которые позволяют определить большое количество функций органов и систем. Для получения достоверной оценки получаемых данных необходима разработка программных комплексов для обработки данных радионуклидных исследований.

Целью настоящего исследования явилась разработка программных комплексов для математической обработки данных радионук-лидных исследований, проводимых в кардиологии и при обследовании головного мозга.

В задачу исследований входила разработка программных комплексов, оцениваю-

* Работа выполнена при поддержке СПбГУ (тема 9.39.1065.2012).

щих большой спектр физиологически значимых параметров, полученных при функциональных исследованиях с использованием ОФЭКТ [7, 8].

При проведении радионуклидных исследований обработка данных производится с помощью клинических программ. Данный класс включает в себя как специализированные программы для проведения медицинских исследований, которые реализуют обработку и визуализацию данных в соответствии с принятыми протоколами и методиками, так и программы, реализующие промежуточные этапы обработки (томографическая реконструкция, коррекция движения, просмотр). В комплекс входят программы обработки данных исследований в кардиологии (программа равновесной вентрикулографии сердца с амплитудно-фазовым анализом, программы исследования перфузии миокарда, томографические программы с 3D- и 4D-ви-зуализацией), в нефрологии (ангиография почек, динамическая сцинтиграфия почек, вклад частей почек в общее накопление, программа вычисления скорости клубочковой фильтрации, программа вычисления эффек-

тивного почечного плазматока), в пульмонологии (исследование перфузии легких, вентиляция легких), в остеологии (остеосцинти-графия), в эндокринологии (сцинтиграфия щитовидной железы, сцинтиграфия паращи-товидных желез), программы исследования гепатобилиарной системы (сцинтиграфия печени, исследование функции гепатобилли-арной системы), исследования головного мозга (перфузионная томография головного мозга), универсальная программа обработки статических и динамических исследований и другие.

Для количественной обработки результатов радионуклидных исследований функционального состояния различных органов и систем в рамках программного комплекса в основном используется два подхода: вычисление комплекса разнообразных амплитудно-временных показателей непосредственно по динамическим кривым, построенным с областей интереса; определение физиологически содержательных параметров, характеризующих состояние исследуемого органа на основе математического моделирования. Также была использована параметрическая визуализация, основанная на формальной аппроксимации кривых по какой-либо системе ортогональных функций, например в ряд Фурье. Такую аппроксимацию также можно считать формальной математической моделью изучаемого процесса, которая может нести дополнительную диагностическую информацию.

Программы исследований в кардиологии. Кардиология является одним из основных направлений применения радионуклидных методов и использования ОФЭКТ. Применение радионуклидных методов в кардиологических исследованиях позволяет проводить функциональную диагностику сердечнососудистой системы [6, 10, 12, 13]. Многоэтапная математическая обработка полученной в ходе исследований информации является неотъемлемой частью данных исследований. Она включает томографическую реконструкцию, решение задач построения контуров левого и правого желудочков серд-

ца, построение параметрических изображений [5, 11], вычисление целого ряда показателей работы сердца.

Перфузионная томосцинтиграфия миокарда (ПТСМ) и томовентрикулография сердца (ТВС) являются современными и востребованными радионуклидными исследованиями, совершенствование обработки данных которых является актуальной задачей.

В качестве входных данных обработки берется последовательность трехмерных массивов, полученных в результате реконструкции проекционных данных.

Можно выделить следующие этапы процесса обработки данных томографических кардиоисследований (рис. 1):

- построение на основе реконструированных трехмерных массивов фазового трехмерного массива, который далее используется при контурной сегментации желудочков сердца;

- построение контуров правого и левого желудочков сердца (ПЖ и ЛЖ);

- построение полярных карт перфузии, движения стенок, систолического утолщения (для ПТСМ);

- фазовый анализ: построение фазовых диаграмм и гистограмм;

- построение графиков изменения объемов желудочков;

- вычисление диагностических параметров.

Отметим, что для исследований ПТСМ и ТВС данная схема процесса обработки является общей. Отличия заключаются в алгоритмах построения контуров, параметрических изображений, вычислении параметров и т.п.

Программа трехмерной визуализации [14] позволяет визуализировать трехмерные изображения перфузии миокарда ЛЖ раздельно в систолу и диастолу, движение стенок ЛЖ и утолщение стенок от диастолы к систоле, а также реализует просмотр в анимационном режиме (рис. 2).

На рис. 3 показана возможность визуализации левого и правого желудочков сердца.

Рис. 1. Схема процесса обработки данных

Рис. 2. Трехмерная визуализация ЛЖ сердца

Рис. 3. Трехмерная визуализация ЛЖ и ПЖ сердца

Исследования головного мозга. Рассмотрим программу обработки перфузионной томографии головного мозга. Исследование предназначено для выявления острых и хронических сосудистых нарушений головного мозга. Уровни активности радиофармацевтических препаратов в мозге соответствуют величине перфузии мозговой ткани, что дает возможность не только визуально, но и количественно оценить региональный мозговой кровоток.

Исследование проводится в томографи-

ческом режиме. В зависимости от уровня среза представляется возможным оценить кровообращение практически всех бассейнов сосудов головного мозга: передней, средней, задней мозговых артерий и ветви позвоночной артерии, снабжающей кровью мозжечковые артерии. Строятся трансверсальные, са-гитальные и корональные срезы головного мозга. Также предоставляется возможность построения косых срезов, при этом угол наклона и толщина среза задаются пользователем (рис. 4).

Рис. 4. Обработка данных перфузионной томографии головного мозга

Приводятся диаграммы сравнения накоплений по секторам. Предоставляется возможность выбора парных зон интереса пользователем. Рассчитывается процент снижения или увеличения накопления препарата в парных зонах. Также вычисляется кровоток в зонах мозга с коррекцией по Лассену.

Разработанное программное обеспечение установлено и функционирует в Федеральном научно-клиническом центре специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий Федерального медико-биологического агентства (ФНКЦ ФМБА России). Данный комплекс может использоваться для обработки данных, полученных с помощью томографов, поддерживающих стандарт DICOM.

1. Автоматизированная информационная система для радионуклидной диагностики / Е. Д. Котина [и др.] // Вестник С.-Петерб. ун-та. Сер. 10. Прикладная математика, информатика, процессы управления. - 2006. - № 1. - С. 110-115.

2. Гребенщиков В. В. Физико-технические основы ядерной медицины / В. В. Гребенщиков, Е. Д. Котина. - СПб. : Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2007. - 172 с.

3. Двухдетекторный однофотонный эмиссионный гамма-томограф ЭФАТОМ / М. А. Арлы-чев [и др.] // Журн. технической физики. - 2009. -Т. 79, № 10. - С. 138-146.

4. Елизарова М. В. Физико-технические аспекты лучевой терапии : учеб. пособие / М. В. Елизарова, Д. А. Овсянников, В. М. Черемисин. -СПб. : СПбГУ, 2007. - 184 с.

5. Кардиоресинхронизирующая терапия и перфузия миокарда левого и правого желудочков / Е. Н. Остроумов [и др.] // Вестник трансплантологии и искусственных органов. - 2012. - Т. XIV, № 3. - С. 60-68.

6. Котина Е. Д. Обработка данных радио-нуклидных исследований / Е. Д. Котина // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-физические исследования. - 2012. - № 3 (79). -С. 195-198.

7. Котина Е. Д. Программный комплекс «Диагностика» для обработки радионуклидных исследований / Е. Д. Котина. // Вестник С.-Пе-терб. ун-та. Сер. 10. Прикладная математика, информатика, процессы управления. - 2010. - № 2. -С. 100-113.

8. Котина Е. Д. Трехмерная визуализация результатов радионуклидных исследований перфузи-онной томосцинтиграфии миокарда / Е. Д. Котина, М. Н. Чижов. // Вестник С.-Петерб. ун-та. Сер. 10. Прикладная математика, информатика, процессы управления. - 2009. - № 4. - С. 258-265.

9. Опытный образец двухдетекторной томографической гамма-камеры / М. А. Арлычев [и др.] // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Электрофизическая аппаратура. - 2006. - № 4. - С. 30.

10. Остроумов Е. Н. Возможности сцинти-графии миокарда в выявлении нарушений перфу-

зии и функции сердечной мышцы / Е. Н. Остроумов, Е. Д. Котина // Фарматека. - 2008. - № 20. -С. 93-94.

11. Перфузионная томосцинтиграфия миокарда, синхронизированная с ЭКГ, и ресинхрони-зирующая терапия / Е. Н. Остроумов [и др.] // Российский кардиологический журн. - 2011. -№ 3. - С. 58-65.

12. Применение фазовых изображений перфу-зионной однофотонной компьютерной томографии в исследовании больных, которым предложена ре-синхронизационная терапия / Е. Н. Остроумов [и др.] // Кардиоваскулярная терапия и профилактика. - 2008. - Т. 7, № S22. - С. 276a-277.

13. Радионуклидные методы в кардиологической клинике / Е. Н. Остроумов [и др.] // Сердце: журн. для практикующих врачей. - 2010. - № 3. -С. 90-95.

14. Kotina E. D. Left and Right Ventricular Phase Analysis of Gated SPECT Myocardial Perfusion / E. D. Kotina, E. N. Ostroumov, V. A. Ploskikh // European J. of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. - 2012. - Vol. 39, № 2. - P. 213.

DATA PROCESSING IN RADIONUCLIDE DIAGNOSTICS E.D. Kotina1, D.A. Ovsyannikov1, V.A. Ploskikh1, A.V. Babin1, O.F. Tuzikova2

St. Petersburg State University, Federal Research and Clinical Center of specialized types of health care and medical technology of the Federal Medical and Biological Agency, Mosaow

Currently radionuclide diagnostics is a high tech area of medicine, the development of which requires the solution of problems related to the improvement of both hardware and mathematical data processing of radionuclide studies. Mathematical and software data processing of radionuclide studies allows you to define a wide range of diagnostic parameters.

Keywords: radioniclide diagnostics, single photon emission computed tomography, mathematical and computer data processing.