Projekcja wyników analizy funkcji skurczowej badania echo serca

Komentarze

Transkrypt

Projekcja wyników analizy funkcji skurczowej badania echo serca
Politechnika Łódzka
KATEDRA MIKROELEKTONIKI I TECHNIK INFORMATYCZNYCH
Streszczenie rozprawy doktorskiej
Dwumodalne obrazowanie
lewej komory serca i naczyń wieńcowych
z wykorzystaniem tomografii komputerowej
oraz spoczynkowej echokardiografii
przezklatkowej
mgr inż. Adam Skurski
Promotor:
prof. dr hab. inż. Andrzej Napieralski
Łódź, 2013
Spis treści
1
2
3
Wstęp .................................................................................................................................. 2
1.1
Motywacja pracy ..................................................................................................... 2
1.2
Cele .......................................................................................................................... 3
1.3
Realizacja celów, tezy pracy .................................................................................... 4
Anatomia serca i układu krwionośnego .............................................................................. 5
2.1
Anatomia serca ........................................................................................................ 5
2.2
Choroby układu sercowo-naczyniowego ................................................................ 6
2.2.1
Niewydolność, choroba niedokrwienna i zawał serca ........................................ 8
2.2.2
Sposoby leczenia chorób niedokrwiennych serca .............................................. 9
Techniki kardiologicznej diagnostyki obrazowej .............................................................. 10
3.1
3.1.1
3.2
4
Działania niepożądane diagnostyki inwazyjnej ..................................................... 11
Fuzja obrazu CT i ECHO.......................................................................................... 13
Metodyka .......................................................................................................................... 14
5.1
6
Inwazyjna i nieinwazyjna diagnostyka kardiologiczna...................................... 11
Łączenie obrazów medycznych w kardiologii ................................................................... 12
4.1
5
Podział metod diagnostycznych w kardiologii ...................................................... 10
Wybór punktów charakterystycznych ................................................................... 14
5.1.1
Mapowanie punktów tekstury i modelu .......................................................... 17
5.1.2
Proces teksturowania ....................................................................................... 18
Wyniki ............................................................................................................................... 20
6.1
Wartości diagnostyczne......................................................................................... 20
6.2
Osiągnięte cele rozwiązania .................................................................................. 20
6.3
Plany rozwoju ........................................................................................................ 22
7
Uzyskane nagrody i wyróżnienia....................................................................................... 23
8
Bibliografia ........................................................................................................................ 24
1
1 WSTĘP
1.1 MOTYWACJA PRACY
Badania statystyczne współczesnych społeczeństw wykazują, że największy wzrost
zachorowań notują choroby kardiologiczne. W XXI wieku stają się one największą zmorą
społeczeństw wysokorozwiniętych, przewyższając liczbę zachorowań na choroby zakaźne,
wiodące jeszcze niespełna wiek temu niechlubny prym wśród najczęstszych dolegliwości.
Dodatkowo, choroby układu krążenia są statystycznie częściej odnotowywane
w społeczeństwach wysoce rozwiniętych niż w krajach rozwijających się. Problemy
kardiologiczne stają się powszechnym problemem wynikającym ze zmiany trybu życia na
bardziej pasywny, niewymagający aktywności fizycznej, przy jednoczesnym zwiększeniu
dynamizmu i stresu życia codziennego.
Programy społeczne wspierane przez rządy państw zauważających problem, promują
zachowania prozdrowotne lecz mimo usilnych dążeń liczba osób cierpiących
na te dolegliwości stale rośnie. Z tego powodu prowadzone są intensywne prace nad
zwiększeniem dostępności do badań, które wspomogą diagnostykę kardiologiczną
na wczesnym etapie i będą w stanie zaspokoić popyt na tego rodzaju potrzeby.
Niniejsza praca jest prezentacją technicznej realizacji nowej metodyki diagnostyki
kardiologicznej opartej na bezpiecznych dla pacjenta i często wykorzystywanych metodach.
Proponowana metodyka swój nowatorski charakter zawdzięcza dokonaniu połączenia
dobrze już znanych kardiologicznych technik diagnostycznych, w wyniku czego uzyskuje się
rezultat zwiększający prognostyczną i diagnostyczną wartość przeprowadzanych badań.
Wykonanie połączenia tomografii komputerowej i echokardiografii umożliwia, przy pomocy
opisanej w niniejszej pracy metodyce komputerowego przetwarzania obrazu, wykazanie
zarówno miejsc jak i przyczyn dysfunkcji mięśnia sercowego. Wspomaga wykrycie zagrożeń
życia spowodowanych chorobami niedokrwiennymi serca. Metoda, której to realizacja
techniczna opisana jest w niniejszej pracy, może być stosowana w celu wykrycia przyczyn
zawału mięśnia sercowego. Dodatkowo, bazując na metodach diagnostyki nieinwazyjnej,
może być w przyszłości stosowana jako alternatywa dla inwazyjnej koronarografii. Zwiększa
czułość i swoistość wykonywanych dotychczas badań angiograficznych metodą tomografu
komputerowego (angio-CT). Dzięki temu stanowić będzie bezpieczną i szybką metodę
klasyfikacji pacjentów wymagających zabiegów rewaskularyzacji.
Autor niniejszej pracy zainteresował się tematyką chorób krążenia ze względu na problemy
kardiologiczne występujące wśród najbliższych członków jego rodziny. Prowadzona
od lat współpraca Katedry Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej
oraz Katedry Kardiologii Uniwersytetu Medycznego w Łodzi pozwoliły zrealizować prywatne
ambicje. Autor miał okazję rozpocząć prace nad projektem już na etapie wstępnego
planowania rozwiązania połączenia obrazów diagnostyki kardiologicznej. Jako osoba
o dużym zaangażowaniu i doświadczeniu w prowadzeniu projektów informatycznych
rozpoczął aktywną działalność w realizacji przedsięwzięcia. Chęć usprawnienia metod
diagnozy kardiologicznej w celu przygotowania metody bezpieczniej dla pacjenta, stały się
2
głównym celem motywującym do rozpoczęcia i prowadzenia prac nad powierzonym
projektem. Autor ma tym samym nadzieje, że efekty pracy zostaną wykorzystane i wdrożone
do praktyki lekarskiej rozszerzającej wachlarz stosowanych kardiologicznych metod
diagnostycznych, w celu ochrony zdrowia i życia pacjentów z problemami niewydolności
serca.
1.2 CELE
Przedmiotem pracy badawczej jest przygotowanie rozwiązania technicznego, które umożliwi
zrealizowanie połączenia dwóch badań medycznych z zakresu kardiologii, w jeden obraz
hybrydowy rozszerzający informacje diagnostyczne w porównaniu do dotychczasowo,
osobno stosowanych metod. Połączeniu poddane są: wyekstrahowany obraz lewej komory
serca otrzymany poprzez badanie CT (z ang. computed tomography, tomografia
komputerowa) oraz diagram kołowy przedstawiający analizę funkcji skurczowej tej komory
serca. Ważną częścią projektu jest realizacja metody automatycznego sposobu wykrywania
punktów charakterystycznych na ścianach mięśnia lewej komory, które pozwalają na
wykonanie połączenia tychże obrazów. Tego rodzaju diagnoza będzie umożliwiała wczesne
wykrywanie źródeł chorób niedokrwiennych serca i tym samym przyczyni się do zmniejszenia
skutków trwałych uszkodzeń mięśnia sercowego, często określanych mianem zawałów.
Prace nad projektem zostały zapoczątkowane w drugiej połowie 2011 roku. Projekt
prowadzony jest z udziałem Politechniki Łódzkiej na Wydziale Elektrotechniki, Elektroniki,
Informatyki i Automatyki oraz Kliniki Kardiologii Uniwersytetu Medycznego w Łodzi. Katedrą
macierzystą autora jest Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych.
Prace wyznaczające kierunek badań oraz potwierdzające słuszność założeń proponowanej
metodyki diagnostycznej zostały wykonane przez część zespołu z Uniwersytetu Medycznego
pod przewodnictwem kardiologów: prof. n.med. Jarosława Kasprzaka oraz prof. n.med.
Piotra Lipca.
Część projektu, podejmującą techniczny aspekt realizacji pomysłu, została przygotowana
przez zespół pod opieką prof. Andrzeja Napieralskiego z Politechniki Łódzkiej. W zespole pod
przewodnictwem dr Marka Kamińskiego przygotowano i poddano analizie możliwe
rozwiązania komputerowego przetwarzania obrazów. Autor pracy był zaangażowany
w przygotowanie implementacji oraz wdrożenie i analizę możliwych do wykorzystania
algorytmów wraz z sposobami obróbki danych. Zaproponował swoje, autorskie metody,
które znalazły zastosowanie w realizacji projektu fuzji obrazów. Autor niniejszej pracy
doktorskiej w całości przygotował kod źródłowy programu komputerowego umożliwiającego
połączenie obrazów diagnostyki kardiologicznej.
Zespół sformowany do realizacji projektu prezentuje poniższa Tabela 1.
Tabela 1
Skład osobowy, z podziałem na jednostki na naukowe, zaangażowany w przygotowanie
i realizację projektu
Politechnika Łódzka
Uniwersytet Medyczny w Łodzi
prof. dr hab. inż. Andrzej Napieralski
prof. dr hab. n. med. Jarosław Kasprzak
dr inż. Marek Kamiński
prof. dr hab. n. med. Piotr Lipiec
dr inż. Jakub Chłapiński
mgr inż. Adam Skurski
3
Owocem współpracy obu uczelni stał się wniosek patentowy złożony w sierpniu 2012 [1].
Wniosek patentowy obejmuje metodę łącznej analizy obu obrazów medycznych w oparciu
o przygotowany prototyp rozwiązania programistycznego umożliwiający realizację
połączenia obu obrazów lewej komory serca w sposób półautomatyczny. Ze względu na ten
fakt, prace nad publikacją oraz rozpowszechnieniem rozwiązania były na tym etapie
ograniczone do minimum w celu zapewnienia ochrony prawnej w możliwie najszerszym
zakresie.
1.3 REALIZACJA CELÓW, TEZY PRACY
Wykonanie prac nad projektem pozwoliło na realizację wyznaczonych celów. Prace
przygotowawcze i realizacja rozwiązania metody diagnostycznej w zastosowaniu
kardiologicznym umożliwiły zdefiniowanie i uzasadnienie poniżej prezentowanych tez pracy.
Teza 1:
Możliwe jest dokonanie połączenia obrazów echokardiograficznych oraz tomografii
komputerowej lewej komory serca ludzkiego celem jednoczesnego przedstawienia
dysfunkcji ruchowej mięśnia sercowego i wad strukturalnych naczyń wieńcowych.
Przygotowanie dowodu tezy 1 możliwe było dzięki zakończeniu opisywanego w niniejszej
pracy projektu oraz wykonania demonstratora aplikacyjnego udowadniającego możliwości
realizacji tezy. Szczegółowe opracowanie zawarte jest w pracy w rozdziałach i podrozdziałach
dotyczących metod teksturowania i nakładania obrazów z wykorzystaniem przekształceń
geometrii dwu i trójwymiarowej.
Teza 2:
Możliwe jest automatyczne wyznaczenie trzech punktów anatomicznych lewej komory
serca na podstawie trójwymiarowej reprezentacji struktury serca uzyskanej za pomocą
badania tomografii komputerowej w celu zdefiniowania orientacji mapy planarnej
kurczliwości mięśnia lewej komory.
Dowód tezy 2 również został przygotowany podczas realizacji założeń projektu. Wykonano
demonstrator aplikacyjny realizujący postawioną tezę zastępując ręczną metodę określenia
punktów charakterystycznych przez operatora oprogramowania. Opracowanie szczegółowe
zawarte jest w rozdziałach pracy poświęconych komputerowym metodom rozpoznawania
i wyznaczenia punktów charakterystycznych reprezentacji trójwymiarowej lewej komory
serca.
Powyżej sformułowane tezy oraz ich realizacja w ramach prac nad przygotowaniem
rozprawy doktorskiej umożliwiają wykonanie nowatorskiej metody nieinwazyjnej diagnostyki
kardiologicznej. Otrzymany wynik końcowy stanowi źródło informacji diagnostycznych
dla podejmowania decyzji o dalszym przebiegu leczenia chorób serca, w tym chorób układu
wieńcowego, takie jak rewaskularyzacja lub pomostowanie aortalno-wieńcowe[2].
4
Opisywana procedura, może stać się metodą alternatywną dla badania inwazyjnego
opartego na naczyniowej ingerencji i wprowadzaniu kontrastu bezpośrednio do struktur
serca w celu lepszej obserwacji i dokładniejszych pomiarów. W przyszłości, przewiduje się,
że przyczyni się do zmniejszenia ilości powikłań pozabiegowych oraz do zwiększenia
dostępności tego rodzaju analiz dla pacjentów wymagających specjalistycznej diagnostyki
kardiologicznej.
2 ANATOMIA SERCA I UKŁADU KRWIONOŚNEGO
Mając na uwadze charakter prezentowanego zagadnienia i jego ścisłe powiązanie
z medycyną autor pracy zdecydował się na zamieszczenie zarysu podstawowych informacji
z zakresu anatomii układu krwionośnego. Zamieszczone wiadomości niezbędne są do
zrozumienia celowości podjętych prac nad przygotowanym rozwiązaniem. Pozwolą na
precyzyjniejsze określenie właściwości postawionego problemu naukowego w kontekście
medycznym.
2.1 ANATOMIA SERCA
Serce jest narządem zapewniającym przepływ krwi w układzie krwionośnym. Poprzez
cykliczne skurcze jakie wykonuje nieprzerwanie, utrzymuje odpowiednie ciśnienie i przepływ
krwi w układzie tętnic i żył. Zarówno ciśnienie tętnicze jak i wielkość przepływu
są parametrami zmiennymi zależnymi od stanu psychofizycznego. Każdy człowiek posiada
indywidualny zbiór parametrów określających jego stan spoczynku, podwyższonego wysiłku
fizycznego lub stan psychiczny. Możliwe jest wieloparametrowe monitorowanie stanu serca,
które szczegółowo omówione zostało w częściach pracy doktorskiej.
Serce jest organem wewnętrznym pełniący funkcję pompy krwi. Zbudowane jest z tkanki
mięśniowej poprzecznie prążkowanej w odróżnieniu od innych narządów wewnętrznych. Cykl
uderzeń serca jest silnie związany z zapotrzebowaniem organizmu w tlen i składniki odżywcze.
Bicie serca nie może być kontrolowane świadomie jak np. ruch kończynami, jednakże istnieją
techniki kontrolowanego oddechu, które wykazują korelację cyklu oddechowego
z częstotliwością uderzeń. Jak w każdym organie wewnętrznym, w sercu również odbywa się
przemiana materii i potrzeba jest dostarczenia tlenu i środków odżywczych. Rolę tę przejął
system naczyń wieńcowych (zarówno tętnic jak i żył) pozwalającą na przepływ krwi do
i z tkanek mięśniowych serca. Można wyróżnić dwie główne tętnice wieńcowe- lewą i prawą,
których początki rozpoczynają się w zatoce aorty (Rysunek 1)
5
Rysunek 1
Anatomiczna budowa ludzkiego serca z naniesioną siatką naczyń wieńcowych [3]
Ze względu na budowę układu krwionośnego serce odpowiedzialne jest za przepływ krwi
równocześnie w dwóch obiegach. Na drodze ewolucji serce podzieliło się na dwie części
obsługujące dwa różne obiegi (tzw. serce prawe i lewe). Z punktu widzenia funkcji, są
to bliźniacze struktury składające się każda z przedsionka i komory. Anatomicznie różnią się
jednak rozmiarem i kształtem gdyż prawa część odpowiedzialna jest za przepływ krwi obiegu
małego (płucnego), natomiast lewa zapewnia obieg krwi natlenionej do tkanek ciała poprzez
znacznie bardziej skomplikowany i większy obieg duży. Granica pomiędzy przedsionkami,
a komorami jest oznaczona przez bruzdę okrężną wieńcową (łac. sulcuscoronarius). Obie
komory przedzielone są przegrodą międzykomorową. Na powierzchni serca granica
ta widoczna jest poprzez położenie bruzdy podłużnej, międzykomorowej przedniej i tylnej
(łac. sulcusinterventricularisanterior et posterior ). Obie zbiegają się we wcięciu wierzchołka
serca (łac. incisuraapiciscordis).
Komora lewa, w porównaniu do prawej, posiada niemal trzykrotnie grubsze ściany, a także
liczniejszą grupę beleczek mięśniowych. Podobnie, obydwa płatki zastawki przedsionkowokomorowej posiadają grubszą strukturę. Z górnej części komory lewej uchodzi główna tętnica
- aorta (łac. aorta), skierowana w stronę prawą i krzyżująca się z ujściem pnia płucnego. Aorta
posiada zastawkę nad którą, uchodzą tętnice wieńcowe serca[4][5].
2.2 CHOROBY UKŁADU SERCOWO-NACZYNIOWEGO
Na początku XX w. szacowano że choroby układu sercowo- naczyniowego były przyczyną
zgonów w mniej niż 10% przypadków. Już w XXI w. wartość ta osiągnęła poziom 50%
w krajach rozwiniętych, natomiast 25% w rozwijających się. Prognozuje się, że do 2020r.
na choroby układu sercowo-naczyniowego (CVD z ang. cardiovasculardiseases) rocznie
będzie umierać 25 mln ludzi, a choroba wieńcowa przewyższy pod tym względem choroby
zakaźne, stanowiące jak dotąd pierwszą przyczynę zgonów na świecie[2].
6
Wiele badań populacyjnych na przestrzeni lat wskazuje korelację rozwoju gospodarczego,
a tym samym przyzwyczajeń, sposobu odżywiania się ze zwiększeniem liczby odnotowanych
problemów zdrowotnych natury kardiologicznej. Szczegóły zawarte są w tabeli, która
wykazuje słuszność tej teorii na podstawie badań przeprowadzonych w Stanach
Zjednoczonych (TABELA 2) . Dodatkowo Tabela 3 wykazuje relację zgonów z przyczyn sercowonaczyniowych w krajach europejskich w zależności od stopnia rozwoju gospodarki.
Tabela 2 Trendy sposobu życia i przyczyn zgonów w stanach zjednoczonych w xx w. (na- dane niedostępne) [2]
Rok
Populacja [mln]
Średni dochód [$]
Śmiertelność z
powodu chorób
sercowonaczyniowych [na
100 000]
Śmiertelność z
powodu choroby
wieńcowej [na
100 000]
Śmiertelność z
powodu udaru [na
100 000]
Urbanizacja [%]
Spodziewana
długość życia [lata]
Palacze papierosów
[%]
Całkowite spożycie
kalorii [kcal]
Spożycie tłuszczów
[% całkowitych
kalorii]
Stężenie
cholesterolu
[mg/dl]
Nadwaga/otyłość
[%]
1900
76
NA
1930
123
15050
1970
203
26333
2000
281
29058
325
390
699
341
NA
NA
448
185
140
100
148
57
39
56
74
76
49,2
59,3
70,8
76,9
NA
NA
37,4
23,3
3500
3300
3200
3800
31,6
37,3
41,2
33
NA
NA
216
204
NA
NA
47,7
64,5
Tabela 3 Śmiertelność całkowita i śmiertelność z przyczyn sercowo naczyniowych dla osób w wieku 45-75 lat
w krajach europejskich w latach 1990- 1992 (CVD – choroba sercowo naczyniowa, CHD - choroba
niedokrwienna serca) [2]
Kraj
Hiszpania
Mężczyźni
Kobiety
Francja
Mężczyźni
Kobiety
Całkowita
CVD
Gospodarki ustabilizowane
CHD
Udar
1323
578
399
180
181
52
93
57
1361
552
330
122
142
36
67
35
7
Portugalia
Mężczyźni
Kobiety
Finlandia
Mężczyźni
Kobiety
Szkocja
Mężczyźni
Kobiety
Federacja Rosyjska
Mężczyźni
Kobiety
Ukraina
Mężczyźni
Kobiety
1673
805
593
305
207
73
267
158
1691
1718
834
837
631
587
110
132
1846
1103
886
441
Gospodarki w trakcie przemian
655
237
139
107
2881
1223
1343
657
767
288
409
178
2940
1379
1490
830
749
342
606
408
2.2.1 NIEWYDOLNOŚĆ, CHOROBA NIEDOKRWIENNA I ZAWAŁ SERCA
Uwzględniając charakter prezentowanego w niniejszej pracy rozwiązania najważniejsze jest
przedstawienie istoty choroby niewydolności serca, gdyż ten typ jednostki chorobowej
będzie przedmiotem proponowanego, nowego sposobu jej badania.
Niewydolnością serca nazywa się ogólnie zespół objawów wynikających ze zmniejszenia
zdolności serca do pompowania krwi. Parametr określający wydajność pompowania krwi
to tzw. rzut serca lub pojemność minutowa serca, czyli ilość krwi przepompowanej w czasie
jednej minuty. Wartość prawidłowa u mężczyzny to 5000-6000ml[2]. Zmniejszenie
wydajności funkcji pompującej przeważnie jest wynikiem zarówno dysfunkcji mięśnia
sercowego jak i innych czynników. Wyróżnia się przede wszystkim przyczyny:

dysfunkcja mięśnia sercowego,

zaburzenia rytmu serca,

wady zastawek,

choroby osierdzia.
W dysfunkcji mięśnia sercowego najbardziej znamienną statystycznie przyczyną jest choroba
niedokrwienna serca[2]. Jest ona konsekwencją przewlekłego stanu niedostatecznego
ukrwienia komórek mięśnia sercowego. Spowodowane jest to dysfunkcją układu
wieńcowego serca. Choroby układu wieńcowego oraz jego wpływ na niewydolność serca
są przedmiotem prezentowanych w kolejnych rozdziałach badań kardiologicznych.
Brak ukrwienia obszaru mięśnia powoduje zaburzenie równowagi pomiędzy
zapotrzebowaniem, a dostarczaną ilością tlenu i substancji odżywczych. Tym samym dochodzi
do spadku wydajności kurczliwości danego obszaru co powoduje zmniejszenie wydajności
serca jako całości.
Jedną z wielu przyczyn zmniejszenia dostaw krwi do komórek mięśniowych jest zmniejszenie
się lub zablokowanie przepływu w tętnicach wieńcowych. Tutaj powodem takiej sytuacji
8
może być miażdżyca tętnic wieńcowych, w wyniku której odkładane są sukcesywnie
w ich świetle substancje takie jak cholesterol i inne lipidy aż do całkowitego zablokowania
przepływu[2]. Tego rodzaju schorzenia są możliwe do wykrycia za pomocą badań
kardiologicznych, a ich leczenie odbywa się drogą farmakologiczną lub w ostrych
i przewlekłych stanach - operacyjnie.
Skrajne przypadki tego procesu powodują zawał serca spowodowany martwicą mięśnia
sercowego w wyniku zamknięcia tętnicy wieńcowej doprowadzającej krew do obszaru serca
(RYSUNEK 2). Mięsień sercowy można przywrócić do poprzedniej sprawności (zdolności
kurczenia się mięśnia) w zależności od czasu jaki nastąpił od momentu krytycznego
zmniejszenia się przepływu krwi. Brak tej możliwości powoduje dysfunkcje i dalsze
komplikacje w funkcjonowaniu układu krążenia.
Rysunek 2
Schemat przedstawiający zawał mięśnia sercowego (2) koniuszka ściany serca po okluzji (zamknięciu)
(obszar nr 1) gałęzi lewej tętnicy wieńcowej (lca), prawa tętnica wieńcowa = rca) [3]
2.2.2 SPOSOBY LECZENIA CHORÓB NIEDOKRWIENNYCH SERCA
Niewydolności serca z powodu niedokrwiennej choroby serca we współczesnej medycynie są
leczone dwutorowo, tj. farmakologicznie lub zabiegowo. Nowe możliwości diagnostyki
kardiologicznej umożliwiły diagnozę tej choroby na wczesnym etapie. Dzięki tym metodom
możliwe jest podjęcie leczenia farmakologicznego na wstępnym etapie choroby. Leczenie
nowo powstałego zawału powinno odbyć się w czasie maksymalnie 12h po wystąpieniu
objawów odczuwalnych przez pacjenta. Pierwszym krokiem jest podanie leków
zwiększających przypływ krwi w tętnicach wieńcowych (rozpuszczające zakrzepy tzw. leki
trombolityczne)[2].
Jeśli tego rodzaju leczenie nie przynosi oczekiwanych rezultatów podejmuje się metody
inwazyjne, które można podzielić na kilka rodzajów:

Udrażniające tętnice wieńcowe (angioplastyka wieńcowa):
o metoda dylatacyjna, z wykorzystaniem udrażniania za pomocą balonika
wprowadzanego metodą cewnikową i mechanicznym zwiększeniu przepływu
przez światło aorty,
o metoda dylatacyjna z wszczepieniem stentu, wykorzystująca metodę
jak powyżej, a dodatkowo pozostawiającą w aorcie cylindryczną metalową
9
siateczkę w celu zapobieżenia zapadania się aorty i tym samym ponownego
zmniejszania jej światła,

Pomostowanie (bypass), zabieg operacyjny polegający na wykonaniu tzw. pomostów
aorty przy wykorzystaniu żyły odpiszczelowej operowanego pacjenta. Mostkowanie
takie wykonywane jest metodą na otwartym sercu poprzez otworzenie klatki
piersiowej procedurą torakotomii[6].
3 TECHNIKI KARDIOLOGICZNEJ DIAGNOSTYKI OBRAZOWEJ
3.1 PODZIAŁ METOD DIAGNOSTYCZNYCH W KARDIOLOGII
Diagnostyka obrazowa została rozpowszechniona wraz z wynalezieniem metod
umożliwiających spojrzenie w głąb materii bez ingerencji w jej strukturę. Pierwszą
rewolucyjną metodą umożliwiającą spojrzenie do wnętrza ludzkiego ciała było wykorzystanie
promieni rentgena. W roku 1895 metoda została odkryta, natomiast już w roku 1896 została
wprowadzona do medycyny jako uniwersalne rozwiązanie diagnostyczne. To znamienne
w swoich skutkach wydarzenie, zapoczątkowało okres rozpowszechnienia wykorzystania
diagnostyki obrazowej. Następne wynalazki oraz ich adaptacja w medycynie wprowadzały
nowe metody wykorzystywane do określeniu stanu zdrowia pacjenta bez ingerencji
chirurgicznych w głąb ludzkiego ciała.
Wraz z rozwojem bardziej zaawansowanych technik obrazowania powstawały i nadal
rozwijają się nowe możliwości ich wykorzystania. Ze względu na wymóg uzyskania obrazów
o lepszych parametrach, niekiedy we wspomnianych badaniach, dopuszcza się ingerencję
w organizm poddawany badaniu. Taką interwencją w trakcie badania może być podanie
substancji chemicznej (niekiedy radioizotopowej) bezpośrednio do ustroju. W kardiologii,
wykorzystuje się tego rodzaju procedurę (wstrzyknięcie kontrastu do obiegu krwi) w celu
zwiększenia wyrazistości odwzorowania np. naczyń krwionośnych lub tkanek poszczególnych
struktur mięśnia sercowego. Szczegółowe informacje dotyczące praktyki zostaną omówione
w pracy. Tego rodzaju techniki inwazyjne stanowią tzw. badania złotego standardu czyli
referencyjne wobec nowych metod diagnozy chorób kardiologicznych.
Obserwując obecne tendencje w rozwoju diagnostyki obrazowej w kardiologii można
spostrzec, że badania wypierane są badaniami, w których można wyzbyć się stosowania
substancji aplikowanych doustrojowo. Tego rodzaju badania jednak wymagają bardziej
złożonych procedur i większej dokładności w ich przeprowadzeniu. Te jednak wymagania
spełniane są przez nowatorskie i wciąż szybko rozwijane gałęzie techniki takie jak cyfrowe
metody obróbki obrazów, cyfrowa akwizycja danych oraz zwiększenie wydajności
obliczeniowych urządzeń elektronicznych. Nowe generacje urządzeń są w stanie, poprzez
coraz to bardziej wyrafinowane układy, przygotować wizualizacje, które nie były w zasięgu
możliwości urządzeń analogowych. Technika diagnostyczna, która nie wymaga ingerencji
w ciało pacjenta nazywana jest metodą nieinwazyjną i stanowi bezpieczniejszą dla pacjenta
10
metodę niż referencyjna metoda inwazyjna. Zagadnienie, z punktu widzenia bezpieczeństwa
stosowania, w szerszym zakresie jest opisane w oddzielnej sekcji pracy.
3.1.1 INWAZYJNA I NIEINWAZYJNA DIAGNOSTYKA KARDIOLOGICZNA
Diagnostyka nieinwazyjna to procedury diagnostyczne, w których wykorzystuje się zjawiska
fizyczne umożliwiające wgląd w głąb ciała człowieka bez ingerencji w ich integralność.
Badania takie stosowane są przede wszystkim w celu diagnozy pacjenta, u którego
podejrzewane są zmiany chorobowe narządów wewnętrznych. W kardiologii są
to dysfunkcje układu krwionośnego ze szczególnym uwzględnieniem układu krwionośnego
obwodowego, wieńcowego oraz funkcją struktur serca.
Można wyróżnić kilka powszechnie stosowanych testów diagnostycznych wykorzystywanych
w kardiologii, takich jak:
1. elektrokardiografia (EKG)- wizualizacja impulsów elektrycznych stymulujących
mięsień sercowy,
2. echokardiografia (ECHO)- obrazowanie tkanek serca metodą ultrasonograficzną,
3. tomografia pojedynczych fotonów (SPECT) – obserwacja metabolizmu mięśnia
sercowego poprzez stopień wchłaniania wstrzykniętego znacznika,
4. rezonans magnetyczny (MR) – obrazowanie metodą polaryzacji materii polem
magnetycznym,
5. tomografia komputerowa (CT) – obrazowanie metodą sekwencji równoległych
prześwietleń promieniami rentgena.
Do inwazyjnych metod diagnostyki kardiologicznej zalicza się metody:
1. angiografia – metoda stosowana przy obrazowaniu patologii tętnic wieńcowych.
Wykonywana poprzez serię prześwietleń rentgenowskich naczyń wieńcowych
z wprowadzonym do nich metodą cewnikową substancją kontrastującą,
2. cewnikowanie serca.
3.2 DZIAŁANIA NIEPOŻĄDANE DIAGNOSTYKI INWAZYJNEJ
Diagnostyka obrazowa stanowi bardzo ważną gałąź nauk z zakresu nauk o zdrowiu. Dzięki
informacjom pozyskanych z tego rodzaju badań możliwe jest leczenie bardzo złożonych
przypadków chorobowych, których rozpoznanie nie byłoby w ogóle możliwe bez ustalenia
źródła problemu. W tej sytuacji możliwość spojrzenia do wnętrza ludzkiego ciała,
bez ingerencji w jego strukturę, stanowi niezwykle potężne narzędzie w rękach lekarzy.
W diagnostyce obrazowej, inwazyjnej dopuszcza się stosowanie substancji, które poprzez
swoje właściwości zwiększają dokładność badania. Substancje te są podawane metodą
cewnikową, a więc ingerują w wewnętrzne struktury ciała poprzez nakłuwanie
i wprowadzanie ciał obcych do organizmu pacjenta. Należy zdawać sobie sprawę,
że podawane substancje nie są naturalnymi preparatami i niekiedy stanowią potencjalne
zagrożenie dla osób badanych. Problemy jakie mogą wystąpić podczas lub w bezpośrednim
11
następstwie badań inwazyjnych, wywołane substancjami podawanymi w celu zwiększenia
kontrastu[2]:





śmierć pacjenta,
komplikacje pozabiegowe (po cewnikowaniu serca),
ostre reakcje alergiczne na substancje podawane doustrojowo (wstrząs
anafilaktyczny) występujący nagle po podaniu środka,
uszkodzenie nerek (Nefropatia kontrastowa) występuje u 10-20% pacjentów,
ustępuje po 2-5 dniach,
alergie mniej groźne dla życia takie jak: wymioty i nudności, omdlenia, bóle i zawroty
głowy, wysypka.
W związku z powyższymi działaniami ubocznymi i niepożądanymi w stosowaniu kontrastów,
badania takie mogą być wykonywane u pacjentów, którzy spełniają określone kryteria. Samo
przeprowadzenie zabiegu jest środkiem, które dodatkowo obciąża chorego pacjenta.
Wyznaczono wiele przeciwwskazań, które determinują możliwość przeprowadzenia badania.
Niestety brak możliwości wykonania badania komplikuje proces leczenia pacjenta. Zmniejsza
tym samym możliwość szybkiej pomocy w stanach ciężkich i nagłych.
4 ŁĄCZENIE OBRAZÓW MEDYCZNYCH W KARDIOLOGII
Dotychczasowe, popularnie stosowane sposoby badania pacjentów z dolegliwościami
kardiologicznymi odbywały się metodami diagnostycznymi, które wykorzystywały zjawiska
fizyczne i/lub chemiczne zachodzące podczas jednego badania. Personel medyczny w razie
wątpliwości wykonywał badania komplementarne i mógł poprzez porównanie ich wyników
uzyskać przekrojowy raport stanu zdrowia pacjenta.
Wspomniane problemy towarzyszące metodom inwazyjnej diagnostyki kardiologicznej
stanowią główne czynniki motywujące do pracy nad nowymi metodami. Opisywane
rozwiązanie stanowi propozycję, jak dotąd niestosowanej diagnostyki kardiologicznej, która
bazuje na nieinwazyjnych, popularnych i uznanych w środowisku kardiologicznym metodach
diagnozy. Właściwości wyniku proponowanej diagnozy nie tylko są w stanie dostarczyć
alternatywnych analiz, ale również uzupełniają je o wartości diagnostyczne, jak dotąd
nieosiągalne przy zastosowaniu dotychczasowych metod. Cechy charakterystyczne
i właściwości metody zostaną opisane w kolejnych częściach pracy.
Współczesne metody informatyczne pozwalają uzyskać obraz badania nie tylko o wyższej
dokładności ale również wzbogacony o dodatkowe dane. Informacje te uzyskiwane są
poprzez analizy wykonane w czasie rzeczywistym lub poddane obróbce danych z innych
badań przeprowadzonych wcześniej. Tego rodzaju metody pozwalają zwiększyć dostępność
i ułatwić prezentację informacji w celu uzyskania trafniejszej diagnozy pacjenta. Rozdział ten
będzie w sposób szczegółowy opisywał realizację oraz wynik końcowy przygotowanego
rozwiązania wykonującego połączenie obrazów CT oraz ECHO w diagnostyce układu
krążenia.
12
4.1 FUZJA OBRAZU CT I ECHO
Połączenie obrazów medycznych, które uzyskiwane są podczas przeprowadzenia badania
echokardiograficznego oraz tomografii komputerowej, stanowi nową, dotychczas
niestosowaną metodę diagnostyki kardiologicznej. Fuzję tych obrazów przeprowadza się
za pomocą technik informatycznych wykorzystujących metody przetwarzania obrazów.
Celem rozwiązania staje się zwiększenie ilościowej i jakościowej informacji diagnostycznej
z wykorzystaniem jedynie metod bezinwazyjnych. Dzięki temu założeniu możliwe stanie się
zmniejszenie wykorzystania kardiologicznych badań inwazyjnych (angiografii). Poprzez
to zwiększy się dostępność metod diagnozy dla pacjentów z poważnymi dolegliwościami
kardiologicznymi.
Metodzie połączenia poddawane są obrazy, wyszczególnione poniżej:
1. Struktura serca
a. lewa komora serca (Rysunek 4)
b. drzewo naczyń wieńcowych (Rysunek 3)
c. zewnętrzny obrys tkanek mięśniowych serca- nasierdzie (Rysunek 3)
2. Analiza funkcyjna lewej komory
a. analiza funkcji skurczowej lewej komory serca uzyskana
ultrasonograficzną (Rysunek 4 )
Rysunek 3
Rysunek 4
metodą
Rekonstrukcja 3D drzewa naczyń wieńcowych (lewy obraz) oraz nasierdzia (prawy)
Rekonstrukcja 3D lewej komory (lewy obraz) oraz reprezentacja graficzna analizy funkcji skurczowej
lewej komory serca
13
Obrazy struktury uzyskiwane są za pomocą prześwietlenia tomografii komputerowej.
Poszczególne elementy struktury serca są ekstrahowane za pomocą metod przetwarzania
obrazów dostosowanych do parametrów urządzenia i nastawów zastosowanych przy
konkretnym badaniu pacjenta[7].
Analizę funkcyjną uzyskuje się poprzez wykorzystanie urządzeń echokardiograficznych
z zaimplementowaną funkcją AFI [8], która umożliwia uzyskanie informacji o właściwości
kurczliwości mięśnia komory serca poprzez śledzenie jej ruchliwości. Badanie wykorzystuje
standardowe metody ultrasonograficzne stosowane szeroko w diagnostyce medycznej.
5 METODYKA
Przyjętą metodykę postępowania służącą do otrzymania końcowego wyniku w postaci
trójwymiarowego widoku fuzji obrazów anatomicznej struktury serca oraz analizy
funkcjonalnej mięśnia lewej komory można podzielić kolejno na kilka etapów. Etapy
te zostały wyłonione i podzielone za względu na charakter operacji analitycznych, którymi
poddane zostają dane wejściowe. Cały algorytm można podzielić na zasadnicze bloki
funkcyjne (Rysunek 5):
Import danych
Wyznaczenie
punktów
charakterystycznych
Zorientowanie
przestrzenne
obiektów 3D
Przygotowanie
projektcji
Teksturowanie
Przygotowanie
mapy tekstury
Rysunek 5
Bloki funkcjonalne implementacji prezentowanej metody fuzji obrazów
Kolejne, zaprezentowane etapy analizy i przetwarzania danych są przedstawione
szczegółowo w podrozdziałach pracy.
5.1 WYBÓR PUNKTÓW CHARAKTERYSTYCZNYCH
Zaproponowana przez autora metodyka wykrywania punktów charakterystycznych struktury
lewej komory serca jest oparta na szeregu operacji trygonometrycznych w przestrzeni
trójwymiarowej. Operacjom tym poddana jest struktura siatki trójkątów (poligonów)
definiującej powierzchnię wyekstrahowanej struktury lewej komory serca. Dzięki
wykorzystaniu szeregu operacji numerycznych możliwe jest, w końcowym etapie
14
przetwarzania obrazu, nałożenie (teksturowanie) analizowanej powierzchni obrazem płaskim
zawierającym dane z analiz medycznych.
Aby uzyskać odpowiednią orientację tekstury oraz obiektu poddawanego teksturowaniu
niezbędne jest odnalezienie położenia punktów referencyjnych. Punkty definiowane parami
tj. po jednym z każdej pary, umożliwiają skojarzenie ich w kolejnych etapach algorytmu.
Każda para tak przygotowanych punktów reprezentuje ten sam punkt lecz w różnej
reprezentacji obrazu (obiektu teksturowanego oraz tekstury). Do wykonania teksturowania
należy przygotować tak zorganizowany zbiór par by każdemu wierzchołkowi obiektu
teksturowanego przyporządkowany był dokładnie jeden punkt tekstury. Dzięki takiemu
założeniu możliwe jest przekształcenie reprezentacji powierzchni na nową dziedzinę
o większej liczbie wymiarów (tzw. głębi). To natomiast wymaga przeprowadzenia
teksturowania metodą UV, która zostanie przedstawiona szerzej, z uwzględnieniem
szczegółów, w rozdziale pracy.
Ze względu na złożoność kształtu oraz brak powtarzalności struktur narządów serca
dla różnych pacjentów należy przyjąć, że niemożliwe jest przygotowanie takiej kolekcji par
by jednoznacznie (bez możliwości wykorzystania interpolacji) móc przyporządkować każdy
punkt tekstury do werteksu trójwymiarowego modelu. Dodatkowo, przyjęte założenie
projektu wymaga, że przygotowanie wyniku końcowego musi odbyć się przy minimalnej
ingerencji operatora i nie może trwać długo. W związku z powyższym zdefiniowanie
wszystkich par punktów ręcznie nie jest akceptowalne z punktu widzenia użyteczności
przygotowanego rozwiązania. Rozwiązaniem racjonalnym jest w tym wypadku
przygotowanie możliwości korekcji mapowania poprzez ręczne przestawienie punktów
charakterystycznych znalezionych metodą automatyczną, przygotowaną przez autora pracy.
Rysunek 6 Schemat przekroju serca z widocznymi komorami (czerwona- lewa, niebieska- prawa) oraz naniesionymi,
poszukiwanymi punktami charakterystycznymi na strukturze lewej komory. Żółty- koniuszek, zielony oraz niebiski– u
podstawy lewej komory punkty graniczne między ścianą międzykomorową a wolną ścianą prawej komory
15
Uwzględniając powyższe wymogi wobec algorytmu, autor zaproponował zmniejszenie liczby
punktów, które należy zdefiniować na obu reprezentacjach. Liczba musiała zostać obrana
w taki sposób by możliwa była implementacja zautomatyzowanego rozwiązania
definiującego kolejne pary odpowiadających sobie punktów.
W analizowanym przypadku wymagane jest by zdefiniować jedynie punkty
charakterystyczne możliwe do wyznaczenia ich położenia zarówno na obrazie
trójwymiarowym lewej komory oraz obrazu analizy echokardiograficznej. Poprzez
zmniejszenie liczby punktów do trzech, autor przygotował algorytm, który w sposób
automatyczny wyznacza zbiór punktów wykorzystywany w orientacji tekstury.
Zaproponowanie metodyki wymagającej dokładnie trzech punktów charakterystycznych do
wykonania poprawnego mapowania obu struktur danych wynika z kompromisu użyteczności
i zapewnienia odpowiednio dobrej jakości odwzorowania. Należy w tym miejscu zauważyć,
że wraz ze zwiększeniem liczby punktów referencyjnych odwzorowanie posiada większą
dokładność. Mając jednak na uwadze sposób wykonania obrazu mapy diagramu kołowego
echokardiografu i jej normalizację do obrazu koła w procesie AFI można założyć, iż wystarczy
zmniejszona do trzech liczba punktów, które w sposób jednoznaczny wyznaczą położenie
i orientację tekstury na kształcie lewej komory serca. Uwzględniając anatomiczne anomalie
wśród pacjentów przyjęto z punktu widzenia technicznego, że wystarczą trzy pary punktów
referencyjnych do określenia położenia tekstury na obiekcie lewej komory serca.
Po konsultacji ze stroną medyczną przedsięwzięcia oraz określeniu kompromisu pomiędzy
użytecznością i dokładnością odwzorowania ustalono i przyjęto, że wymagane będzie
określenie trzech punktów anatomicznych struktury komory serca, które posłużą
do mapowania, tj.:
1. koniuszek komory lewej serca,
2. dwa punkty znajdujące się u podstawy lewej komory serca będące, odpowiednio:
a. punktem wspólnym: przegrody międzykomorowej, ściany wolnej prawej
komory oraz przedniej ściany lewej komory (punkt zielony, Rysunek 6),
b. punktem wspólnym: przegrody międzykomorowej, ściany wolnej prawej
komory oraz tylnej ściany lewej komory (punkt niebieski, Rysunek 6).
Punkty te są w stosunkowo przystępny sposób możliwe do zlokalizowania na obu obrazach
oraz stanowią najbardziej użyteczne punkty do przeprowadzenia dalszych algorytmów
mapowania.
16
Rysunek 7
Wybór punktów charakterystycznych wykorzystywanych do połączenia obrazów
5.1.1 MAPOWANIE PUNKTÓW TEKSTURY I MODELU
Opracowane rozwiązanie uzyskania obrazu trójwymiarowego wraz z naniesioną na jej obiekt
analizą medyczną uzyskaną metodą echokardiografii wymaga przygotowania teksturowania.
Obiektem teksturowanym jest model lewej komory serca, natomiast teksturę stanowi
diagram kołowy analizy kurczliwość jej mięśnia. Jako sposób teksturowania przyjęto metodę
teksturowania UV. Założeniem teksturowania UV jest przyjęcie, że każdy wierzchołek obiektu
teksturowanego ma przyporządkowany dokładnie jeden punkt obrazu będącego teksturą.
Wyznaczenie punktów
charakterystycznych
Określenie osi długiej
modelu lewej komory
serca
Iteracja po
wierzchołkach modelu
obiektu lewej komory
serca
Wyznaczenie
współrzędnych UV
tekstury
Rysunek 8
Schemat bloków funkcjonalnych algorytmu mapowania tekstury
17
Przygotowana metoda swoje operacje uzależnia od wyznaczonych uprzednio konstelacji
punktów charakterystycznych zdefiniowanych odpowiednio dla obu obrazów
wykorzystywanych przy teksturowaniu. Założono, że dane wejściowe będą reprezentowane
przez dokładnie trzy pary punktów stanowiących definicję anatomicznym punktów
wyznaczonych dla obu reprezentacji graficznych (werteksy koloru: żółtego, zielonego
i niebieskiego z rysunku 9).
Rysunek 9
Sposób rzutowania powierzchni komory na powierzchnię płaską.
5.1.2 PROCES TEKSTUROWANIA
Proces teksturowania to ostatni etap w algorytmie przygotowania ostatecznego wyniku
przekształcenia mającego na celu przygotowanie fuzji obrazów kardiologicznych. Mając
na uwadze poprzednie etapy opisywanej procedury, danymi wejściowymi są tutaj:



Model obiektu teksturowanego
o w postaci zbioru werteksów (wierzchołków) siatki trójkątów lewej komory
serca,
Tekstura
o w postaci grafiki rastrowej dowolnego formatu pliku,
Zbiór mapujący
o w postaci zbioru par werteks – piksel określających jednoznacznie
przekształcenie dziedziny 3D w 2D obu obrazów.
Za pomocą bibliotek narzędziowych programowania grafiki trójwymiarowej została
wykonana implementacja realizująca proces teksturowania i wyświetlająca wynik końcowy
powstałego obiektu. Dzięki zastosowaniu tej techniki można wykorzystać odpowiednie
funkcje zapewniając im jako dane wejściowe jedynie odpowiednio przygotowane zbiory.
W zastosowanej bibliotece Java3D należy zapewnić zbiór współrzędnych mapujących w
18
formie dwóch tablic o tej samej liczbie elementów. Pierwsza z nich zawiera kolejno definicje
wszystkich współrzędnych werteksów modelu. Druga natomiast- definicje współrzędnych UV
tekstury, z zachowaniem kolejności odpowiadającej kolejnym werteksom obiektu
trójwymiarowego.
Wykonanie operacji geometrycznych, w wyniku których powstaje złożenie obrazów, stanowi
element główny przygotowywanego obrazu, który następnie jest wzbogacany o inne
elementy struktur anatomicznych układu krwionośnego.
Rysunek 10
Wynik fuzji przygotowany dla 2 przykładowych przypadków
19
6 WYNIKI
6.1 WARTOŚCI DIAGNOSTYCZNE
Przedstawiony sposób realizacji łącznej analizy danych z tomografii komputerowej serca
i naczyń wieńcowych oraz echokardiografii jest metodą nowatorską. Polega na tym, że
dokonuje się fuzji obrazu uzyskanego z badania serca i naczyń wieńcowych metodą
tomografii komputerowej oraz obrazu uzyskanego z badania echokardiograficznego lewej
komory serca, stanowiącego dwuwymiarową mapę parametryczną regionalnej funkcji
mięśnia sercowego z topografią ewentualnych zaburzeń funkcji skurczowej.
Sposób ten stwarza unikalną możliwość jednoczesnej analizy informacji czynnościowych
o regionalnej funkcji mięśnia sercowego i informacji morfologicznych o zmianach w tętnicach
wieńcowych, dzięki czemu poprawia wartość diagnostyczną dla wykrywania istotnych
zwężeń tętnic wieńcowych (potwierdzonych w koronarografii) w porównaniu
do tomografii komputerowej lub echokardiografii obciążeniowej analizowanych oddzielnie.
Umożliwia określenie, która z tętnic wieńcowych jest tętnicą odpowiedzialną za obszar
niedokrwienia. Możliwe staje się określenie, która z tętnic wieńcowych jest tętnicą
odpowiedzialną za obszar nieodwracalnej pozawałowej martwicy mięśnia sercowego, a która
zaopatruje obszar żywotny – ułatwia to decyzję co do tego, który obszar (którą tętnicę)
należy poddać rewaskularyzacji aby poprawić rokowanie.
6.2 OSIĄGNIĘTE CELE ROZWIĄZANIA
Do chwili przygotowania niniejszej pracy na świecie nie opublikowano jeszcze żadnych badań
dotyczących fuzji - metody opierającej się na precyzyjnym spasowaniu obrazów CT (modelu
lewej komory i przebiegu tętnic wieńcowych z identyfikacją możliwych zwężeń)
i echokardiografii obciążeniowej (mapy topografii zaburzeń funkcji skurczowej i rozkurczowej
mięśnia sercowego będących najważniejszą konsekwencją niedokrwienia ściany serca
wskutek zwężeń tętnic wieńcowych).
Przeprowadzone prace pozwoliły na przygotowanie rozwiązania umożliwiającego uzyskanie
obrazu anatomicznego uzupełnionego informacjami diagnostycznymi. Możliwe stało się
jednoczesne obserwowanie anatomicznych struktur lewej komory serca wraz z wynikiem
analizy jej kurczliwości. Dodatkowo nałożenie obrazu drzewa wieńcowego umożliwiło
interpretację korelacji zmian miażdżycowych z anomaliami kurczliwości komory.
Niewątpliwym osiągnięciem jest przygotowanie projekcji końcowej z wykorzystaniem
jedynie metod diagnostycznych nieinwazyjnych, czyli takich które nie wymagają ingerencji
zabiegowych w struktury ciała pacjenta.
Zalety badań wykonywanych metodami nieinwazyjnymi są dostrzegane w środowisku
kardiologicznym jako kierunek o szerokich możliwościach i o dużej dynamice rozwoju
w przeciągu kilku ostatnich lat[9]. W przygotowywanym rozwiązaniu największym atutem
jest możliwość uzyskania danych diagnostycznych bez wykonywania obciążających pacjenta
zabiegów. Dla pacjentów wykazujących wysoką niewydolność naczyniową serca możliwość
20
wykonania diagnozy metodą tomografii komputerowej połączonej z badaniem
echokardiograficznym jest niezwykle wartościowym źródłem informacji o przebiegu dalszego
leczenia. Szybkość wykonania badania oraz jego nieinwazyjność przy pacjentach w ciężkim
stanie mogłaby znacząco zwiększyć szansę na rozpoznanie jednostki chorobowej w celu
podjęcia czynności ratującej życie. Nieinwazyjność zabiegu przyczynić może się
do zmniejszenia ryzyka pogorszenia stanu pacjenta po odbyciu badania o charakterze
inwazyjnym. Przygotowane rozwiązanie dzięki połączeniu obu stosowanych dotychczas
badań umożliwia pozyskanie dodatkowych informacji o potencjalnych anomaliach
w funkcjonowaniu serca.
Zastosowane rozwiązania techniczne umożliwiają wykorzystanie rozwiązania na różnych
środowiskach komputerowych, w tym różnych systemach operacyjnych stanowisk PC
dostępnych w środowisku klinicznym. Wymaganie to jest podstawowym założeniem
projektu i zostało postawione jako wymóg już na etapie wstępnych przygotowań.
Dodatkowym atutem rozwiązania programistycznego jest możliwość pracy z różnymi typami
danych wejściowych. Ten wymóg pozwala na współprace programu z danymi pochodzącymi
z urządzeń medycznych różnych producentów osprzętu. Oba założenia tj. kompatybilność
oraz uniezależnienie się od formatu danych wejściowych pozwala w wysokim stopniu
zmniejszyć koszty wdrożenia aplikacji i przystosowania jej do konkretnej konfiguracji
sprzętowej pracowni diagnostyki kardiologicznej.
Przedstawiona uniwersalność rozwiązania poparta wysoką ufnością środowiska do badań
poddanych fuzji (tomografii i echokardiografii), zwiększa możliwość zainteresowania
środowiska medycznego i rozpowszechnienie proponowanego rozwiązania jako metody
nieinwazyjnej diagnozy kardiologicznej. To natomiast może skutkować chęcią współpracy
producentów sprzętu i oprogramowania medycznego, którzy byliby zainteresowani
posiadaniem w ofercie rozwiązania nowego, pozwalającego na szybszą, wygodniejszą
i dokładniejszą analizę kardiologiczną stanu hospitalizowanego pacjenta. Dodatkowo
przekonanie środowiska o słuszności zastosowania tego typu diagnozy zachęci do posiadania
takiego rozwiązania w większości specjalistycznych pracowni diagnostycznych.
Prowadzone badania kliniczne nad prezentowaną metodą mogą przynieść obiecujące wyniki
i potwierdzić fakt, że fuzja obrazów CT i echokardiografii to nowatorski sposób diagnostyki
nieinwazyjnej układu wieńcowego. Tego typu informacja spowodować może, że metoda ta,
jako jedna z nielicznych nieinwazyjnych, będzie mogła znaleźć powszechne zastosowanie
wśród pacjentów z dolegliwościami kardiologicznymi. Dzięki jej zastosowaniu możliwe będzie
zmniejszenie powikłań po zabiegach diagnozy inwazyjnej oraz pozwoli skrócić czas i koszty
badań. Proponowany sposób badań nie wymaga również odpowiednio wykwalifikowanego
personelu medycznego i wspomagającego (pracowników technicznych), gdyż
zaprojektowane rozwiązanie posiada ergonomiczny interfejs zrozumiały i łatwy w obsłudze,
bez odbywania długotrwałych szkoleń. Nie wymaga również specjalistycznego sprzętu i może
być przeprowadzone na dowolnym komputerze typu PC.
21
6.3 PLANY ROZWOJU
Z punktu widzenia technicznego, prace nad przygotowanym oprogramowaniem zostały
ukończone w fazie prototypu. Demonstrator aplikacyjny posiada szereg funkcji
umożliwiających połączenie obrazów kardiologicznych tj. obrazu tomografii komputerowej
i echokardiografii w celu otrzymania obrazu o wartościach diagnostycznych. Założenia,
którym przyświecał projekt, zostały przez niego spełnione z punktu widzenia technicznego.
W obecnej chwili projekt jest na etapie badań zastosowania go w środowisku klinicznym.
Zespół medyczny prowadzi badania nad poprawnością działania i zdolnością diagnostyczną
przygotowanego rozwiązania. Poprzez gromadzenie danych z przeprowadzonych badań
proponowaną metodyką oraz wyników z dotychczas stosowanych badań możliwe będzie
kompleksowe sprawdzenie poprawności zastosowanych metod. Rola autora sprowadzi się
na tym etapie do udzielania instruktarzu obsługi i drobnych zmian w interfejsie użytkownika
prototypowego oprogramowania.
Dotychczasowe prace nad projektem wykazują wysoki potencjał przygotowywanego
rozwiązania. Autorzy rozwiązania rokują, że ze względu na dobre przyjęcie środowiska
medycznego rozwiązanie to będzie rozwijane i przygotowywane do wdrożenia w środowisku
klinicznym do wykorzystania w rutynowych badaniach kardiologicznych. Dodatkowe
wymagania, które wystąpić mogą przy realizacji i upowszechnieniu rozwiązania będą
stanowić przedmiot pracy inżynierskiej. Następnym elementem rozszerzającym możliwości
przygotowanego rozwiązania jest przygotowanie prototypu metody automatycznej detekcji
przewężeń naczyń wieńcowych. Predykcja tego rozwiązania będzie mogła bazować
na wynikach uzyskanych z opisywanego w niniejszej pracy badania dodatkowo
uzupełnionego o wstępna analizę uzyskaną z automatycznych algorytmów
zaimplementowanych w urządzeniu tomograficznym. Będzie można nanieść na obraz
anatomiczny wyniki automatycznej diagnozy przewężeń naczyń wieńcowych. Obraz ten,
w sposób przejrzysty przedstawi kompleksową diagnozę pacjenta z problemami
kardiologicznymi.
22
7 UZYSKANE NAGRODY I WYRÓŻNIENIA
Ze względu na duże zainteresowanie rezultatami projektu oraz przedsięwzięte kroki w celu
popularyzacji, zaprezentowane rozwiązanie zostało uznane i wyróżnione na wielu
konkursach o zasięgu międzynarodowym i krajowym.
Międzynarodowe wystawy wynalazków:
1. BRUSSELS INNOVA – „Brussels Eureka Competition”, 2012, ZŁOTY MEDAL
2. BRUSSELS INNOVA DIPLOMA 2012 for the high scientific and technical level of the
invention, NAGRODA SPECJALNA
3. International Trade Fair "Ideas-Inventions-New Products", Nuremberg, IENA 2012,
SREBRNY MEDAL,
4. Wystawa Wynalazków Cluj-Napoca, Rumunia, kwiecień 2013, ZŁOTY MEDAL
5. Archimedes 2013, Moskwa, kwiecień 2013, ZŁOTY MEDAL
Wyróżnienia i dyplomy:
1. Dyplom Ministra Edukacji Narodowej za wynalazek “Metoda kardiologicznej
diagnostyki obrazowej z wykorzystaniem fuzji obrazów CT oraz analizy ECHO”
2. Wyróżniony, III edycja Ogólnopolskiego Konkursu „Student-Wynalazca”, Politechnika
Świętokrzyska w Kielcach, wynalazek: „Sposób łącznej analizy wyników badań
echokardiograficznych i tomografii komputerowej”, marzec 2013
Zgłoszenie patentowe :
1. Zgłoszenie patentowe wysłane do urzędu patentowego RP 27.08.2012r nr P-400522
pod tytułem „Sposób łącznej analizy wyników badań echokardiograficznych i
tomografii komputerowej”.
23
8 BIBLIOGRAFIA
[1] A. Skurski, A. Napieralski, M. Kamiński, J. Chłapiński, J. Kasprzak i P. Lipiec, „Sosób
łącznej analizy wyników badań echokardiograficznych i tomografii komputerowej”.
Polska Wniosek Patent P-400522, 2012.
[2] D. P. Zipes, P. Libby, R. O. Bonow i E. Braunwald, Braunwald choroby serca, Wrocław:
Elsevier Urban & Partner, 2007.
[3] „Wikipedia.org,” [Online]. Available: htttp://wikipedia.org. [Data uzyskania dostępu:
pażdziernik 2013].
[4] B. Dąbrowska, Podręczny słownik medyczny łacińsko-polski i polsko-łaciński., Warszawa:
Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2005.
[5] A. Krechowiecki i F. Czerwiński, Zarys anatomii człowieka., Warszawa: Wydawnictwo
Lekarskie PZWL, 2006.
[6] SoS Investigators, „Coronary artery bypass surgery versus percutaneous coronary
intervention with stent implantation in patients with multivessel coronary artery
disease (the Stent or Surgery trial): a randomised controlled trial.,” Lancet, pp. 965-970,
28 wrzesień 2002.
[7] A. Skurski, P. Mazur, J. Chłapiński, M. Kamiński, A. Napieralski, J. Kasprzak i P. Lipiec,
„Zastosowanie przekształceń grafiki trójwymiarowej w obrazowej diagnostyce
medycznej,” Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania, pp. 37-40, 2012.
[8] General Electric, „Automated Function Imaging (AFI),” General Electric, Wauwatosa
USA, 2007.
[9] A. Bowman, B. Kantor i T. Gerber, „Coronary computed tomographic angiography:
current role in the diagnosis and management of coronary artery disease.,” Polskie
Archiwum Medycyny Wewnętrznej, pp. 381-390, czerwiec 2009.
[10] Toshiba, „Toshiba America Medical Systems,” Toshiba, [Online].
http://medical.toshiba.com. [Data uzyskania dostępu: pażdziernik 2013].
Available:
[11] A. Somigliana, G. Zonca, G. Loi i A. Sichirollo, „How thick should CT/MR slices be to plan
conformal radiotherapy? A study on the accuracy of three-dimensional volume
reconstruction.,” I supplementi di Tumori, pp. 470-472, wrzesień 1996.
[12] A. B. S. o. Newport, „Advanced Body Scan of Newport,” Advanced Body Scan of
Newport,
[Online].
Available:
24
http://www.newportbodyscan.com/NoninvasiveCTCoronaryAngiography.htm.
uzyskania dostępu: październik 2013].
[Data
[13] . B. Baskot, „Coronary CT Angiography as an Alternativeto Invasive Coronary
Angiography,” w Coronary Angiography - Advances in Noninvasive Imaging Approach for
Evaluation of Coronary Artery Disease, InTech, 2011, p. rozdział 6.
[14] Siemens,
„Healthcare
Siemens,”
Siemens,
[Online].
Available:
http://www.medical.siemens.com. [Data uzyskania dostępu: październik 2013].
[15] M. Schwaiger i S. Ziegler, „PET/CT: Challenge for Nuclear Cardiology,” The Jurnal of
Nuclear Medicine, październik 2005.
[16] L. Wicke, Atlas anatomii radiologicznej, Wrocław: Elsevier Urban & Partner, 2009.
[17] G. Eastman, C. Wald i J. Crossin, Getting Started in Clinical Radiology. From Image to
Diagnosis, Stuttgart: Thieme, 2006.
[18] R. Scott, „Ray Casting for Modeling Solids,” Computer Graphics and Image Processing,
pp. 109-144, luty 1982.
[19] A. Walsh i D. Gehringer, Java 3D API Jump-Start, Sun, 2002.
[20] D. Selman, Java 3D Programming, Hanning, 2002.
[21] A. Davison, Killer Game Programming in Java, O'Reilly, 2005.
[22] T. Lindholm, F. Yellin , G. Bracha i A. Buckley, The Java Virtual Machine Specification,
Java SE 7 Edition, Oracle, 2013.
[23] D. Shreiner, G. Sellers, J. M. Kessenich i . B. M. Licea-Kane, OpenGL Programming Guide:
The Official Guide to Learning OpenGL, Versions 4.3: The Official Guide to Learning
OpenGL, Versions 4.1, Pearson Education, 2013.
[24] The Association of Electrical Equipment and Medical Imaging Manufacturers, „Medical
Imaging
&
Technology
Alliance,”
[Online].
Available:
http://medical.nema.org/standard.html. [Data uzyskania dostępu: październik 2013].
[25] M. Borzęcki, A. Skurski, B. Balcerzak, M. Kamiński, A. Napieralski, J. D. Kasprzak i P.
Lipiec, „Image Processing Methods for Diagnostic and Simulation Applications in
Cardiology,” International Journal of Microelectronics and Computer Science, pp. 146151, 2012.
25
[26] M. Borzęcki, A. Skurski, M. Kamiński, B. Balcerzak, J. Chłapiński, A. Napieralski, J. D.
Kasprzak i P. Lipiec, „Computed tomography image processing for diagnostic and
training applications in medicine,” Journal of Medical Informatics & Technologies, pp.
67-73, 2012.
[27] O. Gaemperli, T. Schepis, I. Valenta, L. Husmann i H. Scheffel, „Cardiac image fusion
from stand-alone SPECT and CT: clinical experience,” Journal of nuclear medicine :
official publication, Society of Nuclear Medicine, pp. 696-703, Maj 2007.
[28] I. V. Vassiliadis, „SPECT/CT fusion imaging integrating anatomy and perfusion of the
heart,” Hellenic journal of cardiology, pp. 481-485, 2010.
[29] L. O. Murta Jr, A. Pazin-Filho, O. C. Almeida-Filho, J. A. Marin-Neto, B. C. Maciel i A.
Schmidt, „Segmental quantitative analysis of myocardial contrast echocardiography
images using a bullseye representation,” w Computers in Cardiology, 2003.
[30] „The boundary layer,” [Online]. Available: http://boundarylayerphysiology.com/. [Data
uzyskania dostępu: październik 2013].
26