CC BY
14
УДК 616-71
К. А. Сергунова, И. Н. Карпов, А. И. Громов, А. К. Морозов, Д. С. Семенов
Разработка аппаратно-программных средств контроля параметров качества диффузионно-взвешенных изображений для повышения эффективности диагностики опухолевых образований
Ключевые слова: диффузионно-взвешенное изображение, магнитно-резонансная томография, контроль качества, новообразование, опухоль.
Keywords: diffusion-weighted imaging, magnetic resonance imaging, quality assurance, neoplastic process, malignancy, benign, tumor.
Рассмотрена процедура контроля качества параметров классических диффузионно-взве-шенных изображений (ДВИ) и диффузионно-взвешенных изображений с подавлением фонового сигнала от тела (ДВИ всего тела) с использованием экспериментально подобранных веществ. Отмечается важность точности измерения коэффициента диффузии и сравнения численных значений интенсивностей сигналов на ДВИ всего тела при диагностике опухолевых образований. Значительное внимание уделено исследованиям и испытаниям материалов, которые способны имитировать опорный сигнал с заданной интенсивностью на ДВИ и ДВИ всего тела. Экспериментальные результаты были использованы для разработки фантома контроля параметров качества ДВИ. Данный фантом предлагается использовать для получения экстракорпорального сигнала, а также проведения сравнительной оценки опухолевых образований при обработке с помощью разработанных программных средств.
Введение
Совершенствование методов диагностики злокачественных новообразований, в том числе на ранних стадиях, имеет большое значение для соответствующего лечения, поскольку существенно увеличивает количество благоприятных исходов. Важную роль в диагностике злокачественности объемных образований различных органов и тканей играет количественная оценка магнитно-резонансных (МР) изображений, полученных в режиме диффузионно-взвешенных изображений ДВИ
МРТ и его модификации — диффузионно-взвешен-ных изображений с подавлением фонового сигнала от ДВИ всего тела — при различных значениях b-фактора (от 1 до 1000) [4]. Определяющими параметрами этого метода исследования при диагностике опухолевых образований являются яркость области интереса на МР-изображениях, полученных в режиме ДВИ всего тела, и измеряемый коэффициент диффузии (ИКД) — apparent diffusion coefficient (ADC), получаемый при обработке ДВИ в результате МРТ. Как показано в различных исследованиях, достижение значения ИКД, меньшего 1,03 • 10-3 мм2/с, может быть серьезным основанием для подозрения на злокачественность объемного образования или малигнизацию [1], а режим ДВИ-исследования всего тела является более чувствительным к солитарным и множественным неопластическим процессам, чем стандартные исследования с применением контрастирующих агентов или радиоизотопных препаратов [2].
Однако в настоящее время точность определения коэффициента диффузии, измеряемого по ДВИ, не контролируется в процессе проведения эксплуатационных испытаний и значения, полученные на различных МРТ, могут отличаться друг от друга. Для оценки диапазона колебаний были проанализированы значения ИКД дистиллированной воды, изопропанола, этанола и циклометикона, полученные на МРТ одной модели. Стандартное отклонение ИКД при средних значениях b-фактора (375—1000) для воды составило 4,2 %, для этанола — 9,2 %, для циклометикона — 15,8 %, для изопропанола — 23,5 %, а при уменьшении b-фактора до 125—250 увеличивалось вплоть до 38 % для изопропанола.
Значение интенсивности сигнала при ДВИ всего тела, которое используется для последующей срав-
биотехносфера
| № 5(47)/2016
а)
Полидиметилсилоксан
Дистиллированная вода
с растворами хлоридов
б)
Дистиллированная вода с растворами хлоридов
II
11111111111111111 il.i
Полидиметилсилоксан
.........и..........
Рис. 1
Обработка в среде МаИаЪ ДВИ, содержащих: а — два тест-объекта (дистиллированная вода с растворами хлоридов и полидиметилсилоксан); б — один тест-объект (дистиллированная вода с растворами хлоридов). Среднее значение интенсивности сигнала от дистиллированной воды с растворами хлоридов при изменении динамического диапазона: 65 ед. при диапазоне [0...566] (а) и 76 ед. при диапазоне [0...106] (б)
нительной оценки опухолевых образований, зависит от применяемых при постобработке фильтров (рис. 1) и технических характеристик РЧ-системы, в том числе РЧ-катушек, а следовательно, может меняться при выборе области исследования: голова, брюшная полость, коленный сустав и т. д.
Это требует разработки методов и аппаратно-программных средств, позволяющих контролировать параметры качества МР-изображений в режиме ДВИ всего тела, а также генерировать экстракорпоральный сигнал для проведения сравнительной оценки и дифференциации опухолевых образований.
Основная часть
В результате проведенной работы были проанализированы данные 256 пациентов с выявленными доброкачественными и злокачественными новообразованиями, проходивших обследование на базе ФГБУ «ЦИТО им. Н. Н. Приорова» МЗ РФ.
Используемые для анализа МР-изображения были получены на аппарате Ingenia (Philips) с индукцией магнитного поля 1,5 Tn. Исследования проводились в режимах И-ВИ, STIR в саггиталь-ной, коронарной и трансверсальной проекциях, с толщиной среза 5 мм, а также с использованием
стандартного аксиального протокола ДВИ всего тела с толщиной среза 5 мм, числом сбора данных NEX, равным 2, ^фактором, равным 0, 150, 250, 500, 750, 1000.
В целях контроля точности измерения ИКД был рассмотрен весь диапазон значений этой величины для исследуемых тканей человека. При сканировании живого объекта основным параметром, влияющим на значение ИКД, является отношение объема клеток к объему межклеточного вещества. Эта величина уменьшается при рассмотрении ряда: нормальная ткань, доброкачественное новообразование, злокачественное новообразование, что приводит, как показали многочисленные исследования, к уменьшению ИКД и достижению значений порядка 2,2; 1,6 и 0,9 соответственно [3, 5]. Для моделирования процесса замедления диффузии в живой ткани при увеличении доли клеток в единице объема были выбраны вещества с различными значениями коэффициента диффузии, обусловленного броуновским движением частиц, входящих в его состав. Для генерации интенсивности сигнала, соответствующего верхней границе необходимого диапазона, была использована дистиллированная вода с растворами хлоридов натрия и никеля. Для поиска нижней границы контролируемого диапазона ИДК в соответствии с формулой определения коэффициента диффузии броуновской частицы те-
№ 5(47)/2016 |
биотехносфера
Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
а)
б)
Щ
!Т
*
ч
♦
Рис. 2 Пациент Ф. Остеосаркома лопатки. На МРТ
всего тела (а — инвертированное изображение), объемной реконструкции (б) и в аксиальной плоскости (в) в режиме ДВИ всего тела выявляется опухоль с гиперинтенсивным сигналом, c наличием множественного метастатического поражения позвоночника, ребер, ключицы, крыла левой подвздошной кости
ории Стокса—Эйнштейна (1) было отобрано 20 различных веществ с большими по сравнению с водой значениями вязкости и размерами молекул: агаро-за, агар-агар, полиакриламид, низкомолекулярный силиконовый каучук (НСК), полидиметилсилоксан (ПДМС) и т. д.:
D =
kT 3%nd
(1)
После анализа МР-изображений виал, заполненных приведенными выше веществами, были определены два кремнийорганических соединения со значениями измеряемого коэффициента диффузии, равными 0,2 и 0,008 мм2/с. С использованием этих материалов в режиме ДВИ всего тела удалось добиться сигнала высокой интенсивности.
Отметим, что особую значимость режим ДВИ приобретает при исследовании всего тела. Применение его при подозрении на метастатическое поражение при различной онкопатологии позволяет выявить, как метастазы, так и основной очаг поражения (рис. 2).
При таком подходе важную роль играет воспроизводимость сигнала от одного и того же вещества при использовании различных РЧ-катушек. После проведения ряда экспериментов было установлено, что интенсивность сигнала может отличаться до 4,5 раза, однако отношение интенсивностей сигналов от различных соединений является величиной постоянной (таблица) и может быть использована для получения экстракорпорального опорного сигнала (рис. 3).
На основании полученных данных была разработана конструкция фантома для контроля основных
Интенсивности сигналов от различных соединений в режиме DWIBS
Катушка/ источник K2O с хлоридами ПДМС НСК ПДМС/ ^O с хлоридами НСК/ ^O с хлоридами
Тело 600 3500 2700 5,8 4,5
Голова 1800 11000 9000 6,1 5,0
Колено 1350 8000 6700 5,9 4,9
Запястье 390 2400 1900 6,1 4,8
Экстракорпоральный опорный сигнал (средн. = 3500)
Рис. 3 Пациент А. Аденокарцинома.
Полидиметилсилоксан использован для получения экстракорпорального опорного сигнала. В режиме ДВИ всего тела выявляются в объемном образовании участки повышенного сигнала с интенсивностью, соответствующей интенсивности источника опорного сигнала — 3500, что свидетельствует о злокачественности опухоли
параметров и характеристик магнитно-резонансных томографов в условиях эксплуатации, в том числе при использовании протокола последовательности ДВИ всего тела (ДВИ). Фантом представляет собой емкость цилиндрической формы, наполненную дистиллированной водой с растворенными в ней парамагнитными хлоридами никеля и натрия (рис. 4). Внутри фантомов содержатся различные вставки, имеющие заданные геометрические формы (клинья, диски, матрицы и др.) с заранее известными размерами, что необходимо для контроля параметров, определяющих качество регистрируемого изображения. С их помощью оцениваются такие параметры, как отношение сигнал/шум, неравномерность распределения яркости в поле изображения, низкоконтрастная и высококонтрастная разрешающая способность, пространственная нелинейность, толщина выделяемого среза. В составе фантома имеются также четыре сменные виалы с различными кремнийорганическими соединениями для контроля качества изображений в режимах ДВИ (ДВИ всего тела) и возможности их использования при сканировании человека.
Для оптимизации работы инженера во время проведения эксплуатационного технического кон-
биотехносфера
I № 5(47)/2016
Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
Рис. 4
Конструкция (а) и внешний вид (б) фантома для контроля основных параметров и характеристик магнитно-резонансных томографов в условиях эксплуатации, в том числе при использовании протокола последовательности ДВИ всего тела (ДВИ)
троля в среде Visual Studio были разработаны программные средства оценки основных параметров и характеристик качества МР-изображений. Входящий в состав программы модуль оценки точности определения ИКД позволяет выделить области внутри виал на ДВ МР-изображениях фантома (рис. 4, б) и в автоматическом режиме рассчитать среднее значение и среднеквадратическое отклонение ИКД (рис. 5, а). Это позволяет провести сравнительную оценку теоретических и экспериментально полученных данных с целью дальнейшего определения поправочных коэффициентов ИКД.
Для возможности использования фантома в качестве источника опорного экстракорпорального сигнала в целях анализа и проведения сравнительной оценки злокачественных и доброкачественных образований в среде Matlab была разработана программа, позволяющая выделить указанные выше структуры и определить их различные параметры: центр масс, радиус кривизны в данной точке контура образования, отношение интенсивности яркости исследуемой структуры относительно опорного сиг-
нала фантома, функцию распределения интенсивности сигнала в области интереса, характеристики изолиний функции интенсивности (рис. 5, б).
Выводы
В результате выполненных исследований были определены два кремнийорганических соединения, наиболее подходящих для получения экстракорпорального опорного сигнала в режиме ДВИ всего тела и моделирования нижней границы диапазона ИДК в режиме ДВИ.
Исследования показали высокую стабильность параметров получаемого сигнала от этих веществ за длительный период (до 6 месяцев). На основании полученных данных были разработаны конструкция фантома для проведения периодического технического контроля, в том числе протокола последовательности ДВИ (ДВИ всего тела), а также программные средства для определения основных параметров злокачественных и доброкачественных
№ 5С47)/201Б |
биотехносфера
Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
а) д
МРТ • Прср***«м чхрсл« HtrvriTKK^itt ivmfX4 "
О «Ал Нкт^о) UM Л» ii »ot И<ПМГМК ONH Поио«|»
К- *
б)
»(»ффифиладиффум
OlKgMCb
Кои1рогмру*«мА UputMip <~ сотага
a I'wecAtHtri
Области мларка
bMÄiivrv W*i< отарка
OoD
Спхпмсои oporrtpncrwi« Сotocrtü
WefcMcw CpM»*e сю I *]
1 006 t
; 02«
J 0 35
4 г гз
-
и:
ИКД IPartum а»IПм*йаосткf Топцта | Арсафакпj
Камас|»0 |»}мчи [маомтиа» срача | Ра»оч«а часта |
Исходное изображение
Выделение неопластического образования
Рис. 5
Программные средства для контроля параметров качества диффузионно-взвешенных изображений (а) в среде Visual Studio, для проведения сравнительной оценки и дифференциации опухолевых образований в среде Matlab (б)
образований в среде МаНаЪ, позволяющие повысить качество диагностики опухолевых образований.
Литература
1. Морозов А. К., Карпов И. Н., Патрикеев Е. А. Диффузион-но-взвешенное магнитно-резонансное исследование пояснич-но-крестцового отдела позвоночника (DWIBS) у пациентов с костной патологией// II съезд Национального общества нейрорадиологов: сб. науч. тр. М., 2014. С. 25-26.
2. Морозов А. К., Махсон А. Н., Карпов И. Н. Магнитно-резонансная томография всего тела (DWIBS). Возможности и перспективы применения в костной патологии// Вестн.
травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова. 2015. № 2. С 19-24.
3. Aliu S. O. [et al.]. Repeatability of Quantitative MRI Measurements in Normal Breast Tissue// Translational Oncology. February, 2014. Vol. 7. Issue 1. P. 130-137.
4. Moschetta M. [et al.]. MR evaluation of breast lesions obtained by diffusion-weighted imaging with background body signal suppression (DWIBS) and correlations with histological findings // Magnetic Resonance Imaging. Jul, 2014. Vol. 32. N 6. P. 605-609.
5. Tingting W., Xiangru W., Yanfen C. [et al.]. Role of apparent diffusion coefficients with diffusion-weighted magnetic resonance imaging in differentiating between benign and malignant bone tumors// World Journ. of Surgical Oncology. December, 2014. V. 12. N 1. P. 1-6.
биотехносфера
I № 5С47)/201Б
