5.2. Разработка программы для анализа данных компьютерных томограмм легких

Согласно целям нашего исследования необходимо было оценить среднюю плотность и распространенность эмфиземы на компьютерных томограммах легких в основной и контрольной группах.

В качестве прототипа для разработанной программы использовалось приложение Thoracic VCAR, которое также позволяет проводить подсчет количественных показателей и 3D-картирование легочной ткани: выделять различными оттенками легочную ткань в зависимости от плотности на плоскости и в объеме.

Несмотря на то, что данное приложение обладает достаточно широкими возможностями по анализу легочной ткани при эмфиземе, оно имеет ряд существенных недостатков:

1. Невозможность установки на персональный компьютер: приложения могут быть запущены только с рабочей станции томографа и не могут быть использованы в целях обучения специалистов или на персональном компьютере врача.

2. Неполная реализация необходимых функций: некоторые показатели, например, признанный одним из главных критериев прогрессирования заболевания показатель средней плотности легочной ткани, отсутствуют в приложении Thoracic VCAR.

3. Невозможность анализа срезов с толщиной более 1,0 мм. При этом исследование занимает большой объем памяти, что затрудняет хранение данных.

4. Неполная совместимость данных, полученных от аппаратов разных производителей. Исследование, выполненное на томографе одного производителя, часто невозможно проанализировать на приложении другого производителя.

5. Высокая стоимость, так как приложение поставляется только с рабочей станцией GE.

6. Отсутствие русскоязычного интерфейса: для медицинского персонала некоторой проблемой является корректное понимание и перевод англоязычных терминов на русский язык.

Для преодоления указанных недостатков нами совместно с Институтом систем обработки изображений РАН (руководитель научной группы профессор А. Г. Храмов) на базе Центра прорывных исследований СамГМУ «Информационные технологии в медицине» была разработана программа для анализа легочной ткани на компьютерных томограммах.

Программа реализована в виде плагина для системы MITK (The Medical Imaging Interaction Toolkit). Алгоритм обработки изображений представлен на Рисунке 18. Первоначально производится пороговая обработка, которая заключается в исключении значений интенсивности, не входящих в интервал [-1500, -600], затем происходит выделение контуров изображения (на срезе все

пиксели кроме пограничных залиты черным цветом), далее заполнение пикселей, относящихся к легочной ткани и с помощью пороговой обработки выделение эмфизематозных участков. На последнем этапе производится построение

гистограммы распределения пикселей по плотности.

Рисунок 18. Стадии обработки аксиального изображения с гистограммой плотности в результате расчета. Этапы: пороговая обработка — выделение контуров — заполнение легочной ткани — пороговая обработка — гистограмма

Обработка изображений легких в разрабатываемой программе состояла из следующих этапов:

1. Выделение (сегментация) легочной ткани от окружающих мягких тканей, вычитание крупных сосудов и бронхов.

2. Сегментация и цветовое картирование легочной ткани с плотностью ниже установленного порога (стандарт -950 HU — эмфизема).

3. Расчет эмфизематозного индекса как процента вокселей с плотностью ниже установленной.

4. Расчет средней плотности сегментированной легочной ткани.

5. Представление полученных результатов в виде таблиц, диаграмм распределения, гистограмм.

6. Цветовое картирование аксиальных срезов и 3D-модели (Рисунок 19).

Рисунок 19. ЗЭ-модели с цветовым картированием эмфиземы.

Все получаемые данные КТ-исследования в формате DICOM загружались в разработанное приложение «Программа для анализа компьютерных томограмм легких». В ходе обработки с помощью специальных инструментов программы выделялись контуры легочной ткани обоих легких от уровня верхушек легких до куполов диафрагмы. С целью минимизации ошибки обсчета вычленялись просветы трахеи и крупных бронхов из зоны анализа. Производились следующие количественные измерения: устанавливались средняя плотность легочной ткани, процент эмфизематозной ткани для разных уровней плотности (эмфизематозный индекс): -856 HU, -910 HU, -950 HU, -960 HU, объем эмфизематозной ткани. После вычисления показателей данные представлялись в виде гистограммы, основанной на встречаемости определенного интервала плотности, и производилось цветовое картирование легочной ткани для наглядной визуализации эмфиземы с целью объективного представления ее объема.

На существующую программу «Программа для анализа компьютерных томограмм легких» получено свидетельство на программу для ЭВМ (№ 2015612523 от 19.02.2015).

В программе реализованы следующие функции: сегментация легочной ткани от окружающих мягких тканей, сосудов и бронхов; подсчет средней плотности сегментированной легочной ткани и процента эмфиземы для произвольно устанавливаемого порогового значения; представление полученных данных в виде диаграммы распределения по плотности, построение 3Э-модели с цветовым картированием эмфиземы в виде полутонов.

Интерфейс программы интуитивно понятен, вся обработка исследования занимает около одной минуты: после открытия файла DICOM из серии изображений необходимо нажать кнопку «Segmentation». После этого в правой половине экрана можно увидеть мультипланарную реконструкцию и 3D- реконструкцию с эмфизематозной легочной тканью, картированной красным цветом.

Рисунок 20. Интерфейс разработанной программы. В левом легком определяется

воздушная полость (киста), выделенная красным цветом

Сравнительный анализ возможностей функций программ-аналогов и разработанного приложения представлены в Таблице 17.

Таблица 17

Сравнение функций специализированных клинических приложений

для анализа легочной ткани

Разработанная программа имеет ряд существенных преимуществ перед аналогами:

1.

2. Цветовое картирование в виде полутонов на 3 D-изображении улучшает наглядность распределения и выраженности эмфизематозных изменений. Цветовые полутона позволяют детализировать состояние легочной ткани: чем ниже ее плотность, тем темнее оттенок красного цвета на модели. В программе СЕ lung density картирование происходит только в виде одного цвета, при этом степень эмфиземы не дифференцируется.

3. Гистограмма распределения легочной ткани по плотности позволяет представить не только суммарные показатели, но и определить однородность уменьшения плотности — наличие диффузного снижения или локальных участков эмфиземы.

4. Возможность анализа срезов с толщиной как 1,0 мм, так и 5,0 мм экономит время и позволяет анализировать меньший объем данных. Стандартное исследование с толщиной среза 1,0 мм занимает объем около 1 гигабайта, при этом сканы с толщиной среза 5,0 мм занимают до 100 мегабайт. Исследования с толщиной среза 5,0 мм из-за небольшого объема данных могут храниться на сервере длительное время. Снижение детализации в данном случае компенсируется увеличением воспроизводимости. В динамике исследование также оценивается с той же толщиной среза.

5. Сохранение полигональной модели в формате MITK позволяет также экономить объем данных: модель занимает несколько мегабайт. Она может быть загружена на портативное устройство и использоваться во время операции или презентаций, когда нецелесообразно загружать весь массив DICOM данных.

6. Изменение порогового значения эмфиземы: данная функция важна в связи с тем, что пороговые значения не являются официально установленными, они изменяются в различных исследованиях. Кроме того, пороговое значение может быть изменено при коррекции после калибровки тест-объекта (Sieren J., 2012).

7. Отчет в виде таблицы с возможностью экспорта в протокол экономит время врача на дублирование данных с экрана монитора из формата DICOM в протокол обследования пациента, который создается в текстовом формате.

Таким образом, разработанная программа вобрала в себя функции различных клинических приложений для анализа легочной ткани. Комплекс этих функций в полном объеме не был реализован ни в одном из доступных приложений.