Локализатор для компьютерной томографии

ЛОКАЛИЗАТОР ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ А.В. Козаченко, В.Б. Низковолос, В.А. Иванов, Ю.З.Полонский, С.С. Гвоздев

Стереотаксис - самостоятельная область современной нейрохирургии. Стереотаксические вмешательства применяются с целью диагностики и лечения многоочаговых форм височной эпилепсии, болезни Туретта, не поддающихся лечению лекарственными препаратами форм паркинсонизма, для снятия психической зависимости от наркотиков у пациентов, страдающих опиатной наркоманией, для эвакуации внутримозговых гематом, для проведения пункционной биопсии и деструкции новообразований мозга.

В стереотаксисе наведение инструмента на целевые структуры головного мозга происходит по данным расчетной томографии. В задачу последней входит как получение диагностических сведений об анатомических особенностях строения мозга пациента, так и получение информации о взаимном пространственном расположения целевых точек и некоторых реперных объектов. Полученная информация должна обеспечивать проведение расчетов, необходимых для последующего наведения стереотаксического инструмента на заданные мишени. Таким образом, расчетная стереотаксическая томография разбивается как бы на две составляющие -диагностическую и расчетную. Первая отвечает за идентификацию и локализацию мишеней, вторая - за наведение. Как правило, развитие или модернизация расчетной составляющей стереотаксической томографии приводит к расширению возможностей ее диагностической составляющей.

Рис. 1. Внешний вид стереотаксических локализаторов: а) диагональный КТ-локализатор; стрелкой указано основание локализатора. б) точечный рентгеновский локализатор ИМЧ РАН

Локализаторы - специальные устройства, применяемые при проведении расчетной томографии, задающие вспомогательные системы координат, предназначенные для преобразования координат целевых точек из координатных систем томографа в координатные системы стереотаксического аппарата или манипулятора. Мы ориентировались на возможности отечественного стереотаксического манипулятора "ОРЕОЛ" [1]. В предшествующие годы нами [1, 2] разработаны и внедрены в клинику модель и соответствующее программное обеспечение для диагонального КТ-локализатора ИМЧ РАН. Как показали компьютерные исследования [3, 4] точностных свойств локализатора, расчетная составляющая метода может быть существенно усилена за счет уменьшения продольного сечения диагоналей и одновременной замены материала диагоналей (на материал с более высоким коэффициентом поглощения рентгеновского излучения).

Кроме того, в ряде клинических случаев рабочий объем локализатора оказался недостаточным для охвата субталамических целевых структур внутримозгового пространства пациентов. Проведенные исследования и практические замечания нейрохирургов послужили поводом для разработки новой модели диагонального локализатора. Будем в дальнейшем называть эту модель "КТ-локализатор ПНК" (аббревиатура составлена из первых букв инициалов разработчиков).

В настоящей работе описываются отличия конструкции локализатора ПНК от модели, описанной в работах [1-3], и последние изменения в программном обеспечении локализатора. Приводятся результаты фантомного эксперимента по проверке параметров локализатора. Наконец, кратко, на клинических примерах, демонстрируются возможности диагностической составляющей стереотаксической компьютерной томографии, использующей новый КТ-локализатор.

КТ-локализатор - легкая конструкция из оргстекла (рис. 1, а), содержащая диагонали - нити из нихрома (0сеч = 0.3мм). Локализатор фиксируется относительно черепа пациента с помощью лотка с оттиском зубов пациента. Такая фиксация атравматична. При каждом повторном прикусывании пациентом своего лотка с оттиском КТ-локализатор занимает одно и тоже воспроизводимое положение относительно черепа и мозга.

На этом же лотке может фиксироваться точечный рентгеновский локализатор ОРЕОЛА (рис. 1, б), реперные точки которого - центры металлических шариков -задают вспомогательную систему координат манипулятора. (Пациент прикусывает свой лоток с закрепленным рентгеновским локализатором во время операции на этапе фантомного моделирования [1, 5].) В каждый конкретный момент времени пациент может фиксировать на зубах только один локализатор, однако геометрические соотношения между пространственным положением зафиксированных на зубах локализаторов (и их системами координат) постоянны и могут быть вычислены.

Геометрическая модель локализатора осталась прежней (рис. 2). Плоскости граней локализатора совпадают с боковыми гранями прямоугольного параллелепипеда Л'Б'С'Б'Л''БМСМБМ, диагонали локализатора пересекаются в точках К, С', Б'. Известны углы между диагоналями: ZAKB=ф, ZБ0C'C'-ZЛ0D'DM = у. КК1 - высота локализатора к (увеличена на 2 см по сравнению с локализатором ИМЧ РАН). Стороны основания параллелепипеда а, Ь и высота к - линейные параметры локализатора. Возможное томографическое сечение пересекает диагонали локализатора в точках М, Ь, Б, Б, К, К Плоскость сечения а определяет четыре высоты к1, к2, к3, к4, три из которых -независимые величины; т.е. положение плоскости сечения однозначно определяется по трем высотам к1, к2, к3. Б'хуг, Б"хуг - прямоугольные системы координат КТ-локализатора. К'хуг - прямоугольная система координат основания локализатора. Левые координатные системы Б'хуг, Б"хуг, К'хуг коллинеарны.

Расчетная томограмма с целевой точкой (Т) схематически имеет вид, приведенный на рис. 3, где цифрами 1-6 обозначены следы диагоналей локализатора. 15 расстояний между точками 1-6 и 6 расстояний от целевой точки до точек 1-6 служат входными данными для программы стереотаксичесих расчетов. Для определения положения искомого сечения (а) относительно плоскостей граней КТ-локализатора из всех возможных сечений локализатора выбирается сечение, наиболее близкое по

15

расстояниям к измеренным; минимизируется функция А1 = *^({1ист -ёизм)2 , где ёи(Ш-

1

теоретические расстояния между следами диагоналей, а ёшм - полученные расстояния.

2 *

1

9

2

1

4<

6

• 5

4

5

Рис. 3. Схематическое изображение томографического сечения КТ-локализатора: а) модель томограммы с целевой точкой, б) схема измерения взаимных расстояний между следами диагоналей

В отличие от ранее изложенных алгоритмов, предложен несколько иной способ определения координат целевой точки.

Рассмотрим плоскость а вычисленного томографического сечения (рис. 4). Нам известны координаты точек 1-6 в системе координат Б'ХУ2. Известны также измеренные на томограммах расстояния от мишени до следов диагоналей локализатора

6

3

3

1Т, 1=1-6. Положение мишени на плоскости а можно определить тремя независимыми засечками, соответственно, попарно из точек 1,2, 3,4 5,6. В результате получится три положения мишени на плоскости а. Программное обеспечение локализатора [5] последовательно строит для каждой из точек Т1, Т2, Т3 трехмерную прямоугольную систему координат О'х'у; определяет плоские координаты точки в системе координат О 'х''у', '=1-3; присваивает нулевое значение третьей координате; преобразует координаты точки Т из системы координат О'х'у'^ в систему координат локализатора БХУ2, после чего усредняет координаты всех трех точек в этой координатной системе. Точки О1 - середины отрезков 1-2, 3-4, 5-6; координатные плоскости О'х'у' совпадают с плоскостью а.

Рис. 4. К алгоритму определения координат целевой точки

В работах [3, 4] в качестве меры разброса точек (невязки для целевой точки) использовался диаметр описанной вокруг треугольника Т^2Т3 в плоскости а окружности. Однако, как известно, при приближении ZТ1Т2Т3 к 180° указанный диаметр стремится к бесконечности. Поэтому была предложена другая оценка для невязки на целевую точку - среднее расстояние между точками Т1, Т2, Т3. У локализатора ИМЧ РАН рабочая часть диагоналей конструктивно заканчивалась, не доходя 14 мм до вершин K, C', D'. В локализаторе ПНК это расстояние было уменьшено на 1 см; соответственно были изменены границы перебора допустимых сечений локализатора.

Для оценки правильности измерения линейных и угловых параметров локализатора, а также для оценки корректности его геометрической модели и модифицированного программного обеспечения были проведены 2 серии фантомных томографических испытаний. Внутри рабочего объема локализатора закрепляли условно точечную рентгеноконтрастную мишень (кусочек стальной проволоки 0 0.5x1.5 мм). Положение мишени относительно основания локализатора, ее координаты в системе координат К'хуг определялись прямыми измерениями с погрешностью 0.2 мм. Локализатор, помещенный вместе с мишенью в кольцо томографа (Siemens SOMATOM AR HP), сканировался с шагом в 2 мм. По скану, содержащему изображение мишени, проведены стереотаксические расчеты. Определены расчетные координаты мишени в системе координат К'хуг (при наличии пары соседних срезов со

следами мишени использован скан с более четким изображением). В процессе испытаний изменяли угол наклона гентри и положение локализатора в кольце томографа. Рассматривали два различных положения мишени в рабочем объеме локализатора и 5 вариантов расположения локализатора относительно гентри для первой серии и, соответственно, 6 вариантов - для второй серии. На рис. 5 приведены топограмма и соответствующая ей томограмма с изображением мишени для одного из исследованных положений локализатора.

а) б)

Рис. 5. Пример экспериментальных томограмм: а) топограмма положения скана, содержащего целевую точку, б) томограмма с изображением целевой

точки

В табл. 1 приведены результаты контрольных вычислений положения мишени в системе координат основания зубной пластины манипулятора "ОРЕОЛ" (К'хуг).

Таблица 1

Серия Номер сечения Х Y Z

3 -13.4 67.8 112.1

7 -13.24 68.03 111.89

1 12 -13.24 67.90 111.68

17 -13.69 67.85 112.06

21 -13.63 67.40 109.62

Среднее значение -13.44 67.80 111.47

Измеренное значение -14 68 112

2 -7.93 21.57 -0.87

4 -8.01 22.12 -2.45

2 7 -7.40 21.87 -0.83

10 -7.57 21.65 -1.24

12 -7.7 22.6 -3.1

19 -8.4 21.47 -2.26

Среднее значение -7.84 21.88 -1.8

Измеренное значение -8 22 -1.5

Как видно из таблицы, отклонение исчисленных координат мишени от их измеренных значений превышало толщину сканируемого слоя (2 мм) только в одном случае (1 серия, сечение 21) по координате ъ на 0.4 мм, что, в целом, является допустимым в реальных задачах стереотаксического наведения.

Программа стереотаксических расчетов параллельно с координатами мишени

15

определяет значение функции А 2 ист - - линейную невязку метода -

1

характеристику точности реконструкции искомого сечения. Среднее значение линейной невязки по данным обработки 57 тонких срезов составило 12.3 мм. При этом среднее отклонение измеренных расстояний от их теоретических (согласно геометрической модели) значений в пересчете на одно расстояние равно 0.82 мм. Отметим, что для предыдущей модели локализатора это отклонение было равно 1.5 мм.

а) б)

Рис. 6. Предоперационные томограммы пациента С., страдающего наркотической зависимостью. а) топограмма предоперационного исследования. б) локализационный срез; стрелками указаны целевые точки в поясных извилинах обоих полушарий мозга

С помощью локализатора ПНК проведена подготовка к 8 стереотаксическим операциям: 4 операции у пациентов с опиатной наркотической зависимостью, 1 операция у пациента с дрожательной формой паркинсонизма, 2 операции стереотаксической биопсии новообразований и 1 операция стереотаксической эвакуации внутримозговой гематомы. На рис. 6, а приведена топограмма с изображением головы пациента с фиксированным локализатором, полученная при подготовке стереотаксической операции билатеральной цингулотомии. На рис. 6, б приведена расчетная томограмма пациента с идентифицированными и локализованными целевыми точками в поясных извилинах обоих полушарий. Локализационный скан получен при предельном наклоне гентри (-19 ).

Выводы

Разработана облегченная модель (ПНК) диагонального КТ-локализатора для расчетной стереотаксической компьютерной томографии. В качестве диагоналей в локализаторе использовались нити из нихрома (0сеч= 0.3мм). По сравнению с

предыдущей моделью высота локализатора увеличена на 3 см, что позволило при подготовке стереотаксических операций гарантированно планировать наведение на глубокие структуры-мишени, расположенные ниже межкомиссуральной линии, а также использовать максимально допустимые углы наклона гентри.

Модифицировано программное обеспечение КТ-локализатора, в частности, предложен новый алгоритм локализации целевых точек, критерий оценки точности локализации изменен на более корректный.

Основная характеристика сходимости метода при поиске искомого томографического сечения - линейная невязка, полученная по результатам фантомных томографических испытаний, а также в процессе подготовки к стереотаксическим вмешательствам - была в среднем в полтора раза ниже аналогичной характеристики КТ-локализатора ИМЧ РАН. Линейная невязка в пересчете на одно расстояние дает величину, близкую к 1 мм, что эквивалентно инструментальной погрешности используемого томографа.

Литература

1. Аничков А.Д., Низковолос В.Б., Никитин М.А., Обляпин А.В., Полонский Ю.3., Попов А.Б. Новая универсальная стереотаксическая система//Актуальные вопросы стереонейрохирургии эпилепсии. Л.:РНИИН им. АЛ. Поленова, 1993.

2. Аничков А.Д., Обляпин А.В., Орлова Н.В., Полонский Ю.3. Стереотаксический локализатор для компьютерной томографии // Первый съезд нейрохирургов России, 14-16 июня. Екатеринбург, 1995.

3. Полонский Ю.3., Козаченко А.В., Гвоздев С.С., Назинкина Ю.В. Исследование точности диагонального стереотаксического КТ-локализатора // V международный симпозиум "Повреждения мозга" (Минимально-инвазивные способы диагностики и лечения). 31 мая - 4 июня 1999 года. Материалы симпозиума. СПб. 1999.

4. Полонский Ю. З., Иванов В. А., Козаченко А. В., Гвоздев С. С., Назинкина Ю.В. Точностные свойства локализатора ИМЧ РАН для компьютерной (ренгеновской) томографии // VI международная конференция "Проблемы пространства, времени, движения". Материалы конференции. 25-29 сентября 2000 г. СПб. 2000. г.

5. Аничков А. Д., Полонский Ю. З., Камбарова Д. К. Стереотаксическое наведение. Теория и опыт клинического применения ЭВМ-методики. Л.: Наука, 1985.