Projekcja wyników analizy funkcji skurczowej badania echo serca
advertisement
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
