Способ диагностики экссудативного среднего отита
METHOD FOR DIAGNOSTICS OF EXUDATIVE OTITIS MEDIA

Изобретение относится к медицине, а именно к области оториноларингологии, и может быть использовано для диагностики экссудативного среднего отита.
Экссудативный средний отит (ЭСО) является одним из самых распространенных заболеваний среднего уха. Особенности течения экссудативного процесса обусловливают ограниченность возможностей отоскопического метода диагностики, низкую чувствительность и специфичность, а также требуют использования дополнительных методов подтверждения наличия экссудата в барабанной полости (БП). Возможности наиболее эффективного на сегодняшний момент метода диагностики ЭСО - аудиометрического обследования - исчерпываются регистрацией кондуктивного снижения слуха и нарушения подвижности барабанной перепонки (тимпанальной мембраны ТМ), вызванного наличием жидкости в барабанной полости. Подобные изменения, однако, могут наблюдаться и при других патологических состояниях - адгезивный средний отит, тимпаносклероз и др. Результаты современных исследований показывают статистически значимое различие в прогнозе и длительности течения ЭСО. Эвакуация жидкого экссудата возможна при восстановлении вентиляционной и дренажной функции слуховой трубы. Удаление экссудата высокой степени вязкости консервативными методами лечения практически невозможно и может вызывать трудности даже во время хирургического лечения. Современные методы диагностики не позволяют достоверно и неивазивно определить степень вязкости экссудата в БП.
По заявке US 20190343390 «Compact Briefcase OCT System for Point-of-Care Imaging)) (публ. 14.11.2019 г., МПК A61B 5/00, A61B 1/227, G01B 9/02, G01N 21/47) известен способ получения изображений ОКТ (оптической когерентной томографии) области около барабанной перепонки. В описанном способе получают изображения ТМ и пространства за ней. Затем в ручном режиме получают А-сканы множества произвольных точек на поверхности барабанной перепонки. После этого с помощью камеры получают изображения этих «точек», из которых в дальнейшем формируют изображение поверхности. По этим изображениям и данным, полученным из А-сканов, делают диагностический прогноз исследуемой области. Известный способ позволяет неинвазивно определить наличие экссудата в барабанной полости, однако не позволяет оценить степень его вязкости.
Из статьи «Non-invasive optical assessment of viscosity of middle ear effusions in otitis media» авторов Guillermo L. Monroy, Paritosh Pande, Ryan L. Shelton, Ryan M. Nolan, Darold R. Spillman Jr., Ryan G. Porter,Michael A. Novak and Stephen A. Boppart (J. Biophotonics 10, 394-403, 2017 г., doi: 10.1002/jbio.201500313) известен способ определения вязкости экссудата при среднем отите. После получения изображений ОКТ визуально определяют наличие экссудата в барабанной полости. Затем получают серии данных ОКТ в одном сечении исследуемой среды и определяют величины времени корреляции данных в этой серии для области изображения, соответствующей барабанной полости. Полученный результат сопоставляют с известными результатами определения времени корреляции для сред с известными характеристиками и на основании проведенного сравнения оценивают степень вязкости исследуемого экссудата. Недостатком известного способа является необходимость стабилизации плоскости сканирования относительно исследуемого объекта, в противном случае корреляция между последовательно полученными изображениями разрушается быстрее, чем это обусловлено подвижностью рассеивателей в экссудате.
Из статьи «Time domain optical coherence tomography is a useful tool for diagnosing otitis media with effusion» авторов P.A. Shilyagin, A.A. Novozhilov, Т.Е. Abubakirov, V.G. Gelikonova, D.A. Terpelov, V.A. Matkivsky, G.V. Gelikonov, A.V. Shakhov, V.M. Gelikonov (Laser Phys. Lett. 15, 2018, doi: 10.1088/1612-202X/aacb4c) известен способ классификации состояния выпота по данным структурного изображения ОКТ, включающий заполнение наружного слухового прохода стерильной иммерсирующей средой с известной величиной вязкости, получение данных изображения ОКТ, визуальное определение наличия экссудата в барабанной полости. Затем последовательно получают серии данных ОКТ в одном сечении исследуемой среды, которые используют для определения величины ширины спектра для каждой строки данных в серии для области изображения, соответствующей барабанной полости и наружному слуховому проходу. После этого сопоставляют полученную величину ширины спектра для области барабанной полости с результатами определения ширины спектра для иммерсирующей среды, заполняющей наружный слуховой проход. На основании проведенного сравнения оценивают степень вязкости исследуемого экссудата. Недостатком известного способа является необходимость заполнения наружного слухового прохода стерильной иммерсирующей средой, что ограничивает возможность проведения процедуры (в этом случае исследование должно проводиться в положении лежа) в условиях рутинных осмотров, а также противопоказано при нарушении целостности покровных тканей в НСП или барабанной перепонки (например, после выполнения тимпанопластики).
Из статьи «Otitis Media Middle Ear Effusion Identification and Characterization Using an Optical Coherence Tomography Otoscope» авторов Diego Preciado, Ryan M. Nolan, Radhika Joshi, Gina M. Krakovsky, Anqi Zhang, Nickolas A. Pudik, Nankee K. Kumar, Ryan L. Shelton, Stephen A. Boppart, Nancy M. Bauman (Otolaryngol Head Neck Surg, 2020, V. 162(3), p.367-374, doi: 10.1177/0194599819900762) известен способ классификации состояния выпота по данным структурного изображения ОКТ. Вначале получают данные изображений ОКТ, по которым визуально определяют наличие экссудата в барабанной полости, сравнивая полученные ОКТ изображения с эталонными изображениями для серозного и несерозного выпота. Недостатком известного способа является относительно невысокая точность диагностики, обусловленная субъективностью визуальной оценки изображений ОКТ.
Наиболее близким аналогом разработанного способа является способ диагностики среднего экссудативного отита, известный из статьи «Бесконтактная оптическая когерентная томография - эффективный метод визуализации экссудата среднего уха» (авторы: Новожилов А.А., Шилягин П.А., Абубакиров Т.Э., Диленян А.Л., Климычева М.Б., Геликонов Г.В., Ксенофонтов С.Ю., Геликонов В.М., Шахов А.В., Вестник оториноларингологии, 2020, 85(4): 16-23, https://doi.org/10.17116/otorino20208504116). В известном способе регистрируют данные ОКТ из области наружного слухового прохода и барабанной полости. Затем выделяют на изображении ОКТ ограниченные участки, соответствующие барабанной полости и наружному слуховому проходу. Данные об интенсивности сигнала ОКТ для обоих ограниченных участков обрабатывают: проводят численную оценку яркости изображения ОКТ, заключающуюся в определении средней величины яркости для этих участков. Кроме того, визуально оценивают полученные изображения ОКТ. На основании сравнения значений средней величины яркости и визуальной оценки для выделенных участков, соответствующих БП и НСП, определяют наличие экссудата в барабанной полости. Недостатком прототипа является невозможность объективно оценить состояние, в том числе степень вязкости, экссудата в барабанной полости.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа диагностики экссудативного среднего отита, по которому объективно неинвазивно определяют наличие экссудата в барабанной полости и оценивают его состояние.
TC
AC
max
TC
AC
ТС
АС
ТС
АС
AC
ТС
АС
AC
A
ТС
АС
AC
AC
ТС
АС
TC
AC
ТС
АС
TC
AC
Технический результат в разработанном способе диагностики экссудативного среднего отита достигается за счет того, что, также как и в способе - прототипе, осуществляют регистрацию данных ОКТ одновременно из области наружного слухового прохода и барабанной полости, обработку полученных данных, визуализацию изображений ОКТ, выполнение расчетов на основе полученных данных, визуальную оценку изображений ОКТ, определение наличия экссудата в барабанной полости. Новым в разработанном способе является то, что в ходе выполнения расчетов на основе полученных данных строят гистограммы распределения яркости HIST для барабанной полости и HIST для области наружного слухового прохода в диапазоне от нуля до максимального значения яркости B, используемого в палитре изображения ОКТ. Для каждой гистограммы HIST и HIST вычисляют оценочные яркости М и М, положения центров С и С соответственно, а также значение полуширины S. Затем вычисляют первый характеристический показатель EPres как отношение разности оценочных яркостей М и М к значению полуширины S гистограммы HISTc, и вычисляют второй характеристический показатель ECond как отношение разности положений центров С и С к значению полуширины S гистограммы HIST. После этого сравнивают значение первого характеристического показателя EPres с опорным значением RefPres = 1 и в случае EPres > RefPres делают вывод о наличии экссудата в барабанной полости, а вязкость экссудата оценивают путем сравнения значения второго характеристического показателя ECond с опорным значением RefCond = 1, причем при ECond > RefCond делают вывод о высокой вязкости экссудата, а при ECond < RefCond делают вывод о низкой вязкости экссудата. При этом оценочные яркости М и М определяют как максимальные значения яркостей для каждой гистограммы HIST и HIST соответственно, а положения центров С и С определяют посредством вычисления медианы для каждой гистограммы HIST и HIST соответственно.
В первом частном случае регистрируют данные ОКТ в виде серии полученных последовательно во времени изображений ОКТ.
ТС
АС
TC
AC
Во втором частном случае оценочные яркости М и М определяют как средние значения, вычисляемые по заданному, определяемому шириной функции рассеяния точки для ОКТ изображения, количеству элементов изображения, имеющих наибольшую яркость для каждой гистограммы HIST и HIST соответственно.
ТС
АС
TC
AC
В третьем частном случае оценочные яркости М и М определяют как значения высокого, по крайней мере, больше 99, процентиля для каждой гистограммы HIST и HIST соответственно.
AC
AC
В четвертом частном случае значение полуширины S определяется значением высокого, по крайней мере, больше 50, процентиля для гистограммы HIST.
ТС
АС
AC
TC
AC
В пятом частном случае положения центров С, С и значение полуширины S определяют посредством вычисления соответствующих параметров фитирующих функций для каждой гистограммы HIST и HIST, причем параметром, характеризующим положение центра, является значение аргумента фитирующей функции, при котором ее величина принимает максимальное значение на интервале определения, а параметром, характеризующим значение полуширины, является значение полуширины функции, используемой в качестве фитирующей.
Разработанное изобретение поясняется следующими фигурами.
AC
TC
На фиг.1 представлены для барабанной полости в норме: а) изображение, полученное методом ОКТ; б) гистограммы HIST и HIST.
AC
TC
На фиг.2 представлены для барабанной полости, содержащей прозрачный экссудат с единичными рассеивателями: а) изображение, полученное методом ОКТ; б) гистограммы HIST и HIST.
AC
TC
На фиг.3 представлены для барабанной полости, заполненной экссудатом высокой вязкости: а) изображение, полученное методом ОКТ; б) гистограммы HIST и HIST.
На фиг.4 представлены для барабанной полости, содержащей прозрачный экссудат с единичными рассеивателями: а) изображение ОКТ, соответствующее одному В-скану, б) изображение ОКТ, полученное методом проекции максимальной интенсивности.
На фиг.5 представлено для барабанной полости, содержащей прозрачный экссудат с единичными рассеивателями, изображение ОКТ и увеличенное изображение выделенной области БП.
На фиг.6 представлены гистограммы для БП и НСП для изображения ОКТ, приведенного на фиг.5.
ТС
АС
На фиг.7 представлены для изображения ОКТ, приведенного на фиг.5, графики распределения яркостей с величинами М и М, определяемыми по п. 1 формулы.
ТС
АС
На фиг.8 представлены для изображения ОКТ, приведенного на фиг.5, графики распределения яркостей с величинами М и М, определяемыми по п. 3 формулы.
ТС
АС
На фиг.9 представлены для изображения ОКТ, приведенного на фиг.5, графики распределения яркостей с величинами М и М, определяемыми по п. 4 формулы.
На фиг.10 представлены: а) изображение ОКТ, б) соответствующая гистограмма для выделенной области НСП.
На фиг.11 представлены: а) изображение ОКТ, б) две гистограммы для выделенной области НСП.
TC
AC
TC
AC
AC
TC
При проведении диагностики ЭСО по разработанному способу наружный слуховой проход не заполняется иммерсирующими жидкостями (не содержит сторонних рассеивателей), поэтому область НСП в данных ОКТ может использоваться как эталонная область для определения уровня и дисперсии шума на изображении. В норме БП также не содержит рассеивателей (фиг.1а), в результате чего гистограмма распределения яркости в области БП HIST с высокой точностью совпадает с гистограммой для НСП HIST (фиг.1б). При наличии единичных рассеивателей, взвешенных в прозрачном экссудате (фиг.2а), общий уровень сигнала в области БП также не отличается от шумового, хотя в области высоких значений гистограммы (HIST и HIST на фиг.2б) начинают различаться. Совершенно отличная ситуация наблюдается при заполнении БП экссудатом высокой вязкости (фиг.3а). Из-за высокого содержания высокомолекулярных соединений и крупных объектов (отдельные клетки, фрагменты тканей и клеточные обломки) интегральный сигнал рассеяния значительно превышает шумовой уровень, что приводит к существенному - более чем на величину полуширины распределения яркости шума S - смещению гистограммы HIST распределения яркости в область более высоких значений (фиг.3б).
TC
AC
max
TC
AC
ТС
АС
ТС
АС
AC
AC
По разработанному способу регистрируют данные ОКТ одновременно из области наружного слухового прохода и барабанной полости. Затем обрабатывают данные и получают изображения ОКТ, на которых выделяют зоны анализа в области НСП и БП (см. фиг.1а, 2а, 3а). Затем строят гистограммы распределения яркости HIST для БП и HIST для НСП в диапазоне от нуля до максимального значения яркости B, используемого в палитре изображения ОКТ (см. фиг.1б, 2б, 3б). Для каждой гистограммы HIST и HIST вычисляют оценочные яркости М и М, положения центров С и С соответственно, а также значение полуширины S гистограммы HIST.
Для объективного определения наличия экссудата в барабанной полости и оценки его состояния (степени вязкости) в разработанном способе вычисляют первый характеристический показатель EPres и второй характеристический показатель ECond:
В низкокогерентной интерферометрии визуальную информацию о рассеивающей структуре представляют в виде яркостного изображения. Численное значение яркости отдельного элемента изображения пропорционально логарифму интенсивности излучения, возвращенного в интерферометр из соответствующей области пространства. В области изображения, соответствующей воздушной среде и не содержащей рассеивателей, яркость элемента определяется фундаментальными шумами приемной системы, и ее величина также пропорциональна логарифму интенсивности зондирующего излучения.
Величина яркости В элемента изображения ОКТ вычисляется путем логарифмирования полученных данных об интенсивности сигнала ОКТ:
где  и  - константы, с помощью которых добиваются определенного контраста изображения,
- абсолютное действительное значение интенсивности сигнала ОКТ для конкретного элемента пространства.
max
Константы  свободно изменяются с целью обеспечения оптимального контраста визуализации изображения ОКТ и исключения значений, лежащих выше и ниже порога визуализации («уровень черного» - 0, «уровень белого» - B).
ТС
АС
TC
AC
ТС
АС
TC
AC
0
AC
AC
0
Вычисление разностных величин для оценочных яркостей М и М гистограмм HIST и HIST, положений центров С и С гистограмм HIST и HIST приводит к исключению из рассчитываемых значений константы I. Вычисление отношения разностных показателей к величине полуширины S гистограммы HIST приводит также к исключению из рассчитываемых значений константы U.
Таким образом, в окончательном виде первый и второй характеристические показатели EPres и ECond определяются независимо от вариативных параметров, обеспечивающих гибкость пользовательских настроек визуализации устройства ОКТ - коэффициента пропорциональности между логарифмированными значениями интенсивности сигнала ОКТ и значениями яркости изображения ОКТ, а также значения пороговой интенсивности, принимаемой за нулевое значение яркости изображения ОКТ («уровень черного»).
Наличие экссудата в барабанной полости определяют путем сравнения значения первого характеристического показателя EPres с опорным значением RefPres = 1, а вязкость экссудата оценивают путем сравнения значения второго характеристического показателя ECond с опорным значением RefCond = 1.
Превышение вычисляемыми показателями уровня в единицу рассматривается как отклонение искомой характеристики сигнала в БП от шумового значения (в НСП) на величину больше дисперсии шумового распределения и трактуется как статистически достоверное превышение, служащее индикатором наличия экссудата (показатель EPres) и его высокой вязкости (показатель ECond).
В первом частном случае реализации разработанного способа (п.2 ф-лы) используемые для анализа данные ОКТ содержат серию, состоящую из нескольких (более одного В-скана) полученных последовательно во времени В-сканов. Использование серии В-сканов позволяет увеличить мощность анализируемой выборки (число отдельных элементов данных ОКТ, используемых при построении гистограмм) и физический объем барабанной полости, используемый для анализа. Увеличение мощности выборки повышает статистическую достоверность производимых вычислений, увеличение анализируемого объема позволяет повысить чувствительность метода в отношении экссудата с низкой объемной плотностью рассеивающих включений.
-3
Эффективность многократного увеличения исследуемого объема барабанной полости для обнаружения редковзвешенных рассеивателей показана на фиг.4. В приведенном случае объемная концентрация рассеивающих частиц составляет около 1 тыс. единиц на мкл, в результате чего на одном В-скане (полный объем без учета показателя преломления среды 2⋅10 мкл) в среднем регистрируется 1-2 рассеивателя (фиг.4а). Увеличение визуализируемого объема в 20 раз за счет анализа серии полученных последовательно во времени изображений ОКТ приводит к кратному увеличению числа наблюдаемых и регистрируемых рассеивателей (фиг.4б). Такое изображение можно получить, используя, например, метод проекции максимальной интенсивности.
TC
AC
ТС
АС
На фиг.5 представлено изображение ОКТ и увеличенное изображение выделенной области БП, в которой присутствует единичный рассеиватель. Гистограммы распределения яркости для БП HIST и НСП HIST для этого случая представлены на фиг.6. Оценочные яркости М и М можно вычислить разными способами в зависимости от конкретного случая.
ТС
АС
TC
AC
ТС
АС
AC
В случае реализации разработанного способа по н.п. 1 ф-лы оценочные яркости М и М определяют как максимальные значения яркостей для каждой гистограммы HIST и HIST соответственно. Преимущество использования такого способа определения оценочных яркостей М и М состоит в его простоте и возможности реализации посредством использования распространенных программных средств анализа изображений. Иллюстрация этого варианта реализации способа приведена на фиг.7, где данные ОКТ для выделенной на фиг.5 области представлены в отсортированном по величине яркости виде (кривая ТС для БП, кривая АС для НСП). Кривая AC+S иллюстрирует уровень принятия решения - значение, при котором величина первого характеристического показателя EPres равна единице.
ТС
АС
TC
AC
ТС
АС
В другом частном случае реализации разработанного способа (п.3 ф-лы) оценочные яркости М и М определяют как средние значения, вычисляемые по заданному, определяемому шириной функции рассеяния точки для ОКТ изображения, количеству элементов изображения, имеющих наибольшую яркость для каждой гистограммы HIST и HIST соответственно. Преимущество использования такого способа определения оценочных яркостей М и М состоит в его большей устойчивости по отношению к ненулевой вероятности регистрации шумового сигнала высокой яркости в одном или нескольких элементах изображения. Иллюстрация такого варианта реализации способа приведена на фиг.8, где данные ОКТ для выделенной на фиг.5 области представлены в отсортированном по величине яркости виде (кривая ТС для БП, кривая АС для НСП).
ТС
АС
TC
AC
ТС
АС
В еще одном частном случае реализации заявляемого способа (п.4 ф-лы) оценочные яркости М и М определяют как значения высокого, по крайней мере, больше 99, процентиля (р99,5 на фиг.9) для каждой гистограммы HIST и HIST соответственно. Преимущество использования такого способа определения оценочных яркостей М и М состоит в устойчивости метода к наличию систематических ошибок, заключающихся в появлении элементов (пикселов) высокой яркости («битых пикселов») на всех изображениях ОКТ анализируемой серии. Иллюстрация такого варианта реализации способа приведена на фиг.9. Данные ОКТ для выделенной на фиг.5 области представлены в отсортированном по величине яркости виде (кривая ТС для БП, кривая АС для НСП).
ТС
АС
TC
AC
АС
AC
АС
АС
АС
AC
Положение центров С и С по н.п. 1 ф-лы определяют посредством вычисления медианы для каждой гистограммы HIST и HIST соответственно. Использование медианы в качестве критерия определения центра гистограммы позволяет в широких пределах исключить влияние значения «уровня черного» - порога нулевой яркости -настраиваемого для обеспечения оптимального контраста изображений ОКТ. На фиг.10 приведены изображение ОКТ и соответствующая гистограмма для выделенной области НСП. Кривая А соответствует гистограмме реального распределения величины яркости в выделенной области до осуществления процедуры установки нулевого уровня яркости. Кривая Б соответствует гистограмме распределения величины яркости в выделенной области после осуществления процедуры установки нулевого уровня яркости в 23 условные единицы. Вычисление центра С гистограммы HIST по правилу среднего по распределению дает следующие результаты: для кривой Б центр С соответствует пунктирной линии б (30 у.е.), а для кривой А центр С соответствует пунктирной линии а (27 у.е.), см. фиг.10б. Определение положения центра С гистограммы HIST посредством вычисления медианы распределения для обоих случаев дает одинаковый результат - пунктирная линия м (25,7 у.е.).
AC
AC
AC
AC
Значение полуширины S (по п. 5 ф-лы) определяется значением высокого, по крайней мере, больше 50, процентиля для гистограммы HIST. При определении значения полуширины S гистограммы HIST по величине высокого процентиля целесообразно иметь в виду, что для нормального (гауссовского) распределения величина дисперсии определяется значением процентиля 84 (р84 на фиг.10б).
ТС
АС
AC
TC
AC
1
АС
AC
2
2
1
АС
AC
AC
В следующем частном случае реализации разработанного способа (п. 6 ф-лы) положения центров С, С и значение полуширины S определяют посредством вычисления соответствующих параметров фитирующих функций для каждой гистограммы HIST и HIST. Причем параметром, характеризующим положение центра, является значение аргумента фитирующей функции, при котором ее величина принимает максимальное значение на интервале определения, а параметром, характеризующим значение полуширины, является значение полуширины функции, используемой в качестве фитирующей. Использование фитирующих функций позволяет эффективно компенсировать влияние отдельных ярких включений, в том числе случайно захваченных областью для анализа фрагментов изображения, соответствующих барабанной перепонке и другим структурам среднего уха, при этом форма и основные характеристики распределения в доминирующей области сохраняются. На фиг.11 приведено изображение ОКТ и две гистограммы для выделенной области НСП. В выделенную область попадает часть барабанной перепонки (19% от общего объема анализируемой области), вследствие чего на гистограмме (кривая 1 на фиг. 11б) возникает второй максимум, сформированный сигналом из области барабанной перепонки. Нахождение положения центра C и значения полуширины S| гистограммы 1 по величине медианы и процентиля дает переоценку положения центра С и существенное завышение значения полуширины S. В приведенном на фиг.11б случае значение полуширины Si гистограммы 1 в 4,5 раза выше, чем значение полуширины S гистограммы 2, а положение центра С смещено относительно C для той же выделенной области, но с исключением из нее «части» барабанной перепонки. При выборе в качестве фитирующей функции гауссовской зависимости для обеих гистограмм (кривые 3 и 4) в результате расчета регистрируются идентичные (различие не более 5%) значения положения центра С и значения полуширины S гистограммы HIST.
Таким образом, разработанный способ диагностики экссудативного среднего отита за счет построения гистограмм распределения яркости для барабанной полости и для области наружного слухового прохода и вычисления по этим гистограммам определенных параметров позволяет вычислить первый характеристический показатель и второй характеристический показатель, по которым объективно неинвазивно определяют наличие экссудата в барабанной полости и оценивают его вязкость.