MRI i drukarka 3D ułatwią operacje kardiochirurgiczne

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Naukowcy z MIT-u oraz Boston Children's Hospital stworzyli system, który wykonuje rezonans serca pacjenta, a następnie, w ciągu kilku godzin, tworzy za pomocą drukarki 3D realistyczny model organu, który ułatwia kardiochirurgom zaplanowanie operacji. Ci, którzy z nami współpracują są pewni, że nasza technika przyniesie olbrzymią różnicę. Chirurdzy mogą teraz na żywo obejrzeć serce, które będą operowali - mówi profesor Polina Golland z MIT-u. Jeszcze tej jesieni siedmiu kardiochirurgów z Boston Children's Hospital weźmie udział w testach, które mają sprawdzić przydatność nowego podejścia.

Pani Golland zaprezentuje szczegóły nowej techniki podczas październikowej  International Conference on Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention. Głównym autorem oprogramowania analizującego skany MRI jest świeżo upieczony magister Danielle Pace. Z kolei Mehdi Moghari, lekarz z Boston Children's Hospital stworzył nowe procedury, które dziesięciokrotnie zwiększyły precyzję skanowania, a kardiolog Andrew Powell stoi na czele zespołu przygotowującego badania kliniczne.

Jednym z poważniejszych zadań, z którymi musieli mierzyć się specjaliści, było dokładnie określenie granicy poszczególnych struktur serca. Obrazy MRI są czarno-białe i różnica w barwie wskazuje na granicę między poszczególnymi elementami. Jednak niekoniecznie jest to wskazanie dokładne. Tutaj wkraczamy w obszar tzw. segmentacji obrazu, jednego z problemów, z którymi zmagają się specjaliści od komputerowych systemów wizyjnych. Tworzą oni algorytmy, których zadaniem jest określenie granic obiektów widocznych na obrazie. Jednak takie algorytmy ogólnego przeznaczenia nie są na tyle precyzyjne, by można było za ich pomocą tworzyć modele o dokładności wymaganej przy operacjach chirurgicznych. Algorytmy są więc wzbogacane o informacje o standardowych kształtach obiektu, mogą więc skorygować zebrane informację o wiedzę, jak dany obiekt, na przykład serce, powinien wyglądać. Problem jednak w tym, że - o czym wiedzą kardiochirurdzy dziecięcy - wiele osób jest operowanych właśnie ze względu na nieprawidłowości w budowie serca. Dotychczas eksperci radzili sobie z tym problemem 'na piechotę', samodzielnie wskazując na obrazach granice poszczególnych struktur, a następnie drukując tak poprawione zdjęcia. Jest to jednak zajęcie niezwykle pracochłonne. Szczegółowe MRI może składać się nawet z ponad 200 zdjęć, a ręczna ich obróbka trwa nawet 10 godzin. Tymczasem kardiochirurdzy chcą przeskanować serce dziecka i w ciągu jednego, dwóch dni szczegółowo zaplanować operację. Strata całego dnia na samą obróbkę obrazów bardzo wydłuża ten czas - mówi Golland.

Pace i Golland poprosili eksperta o zaznaczenie granic w niewielkiej liczbie zdjęć i na tej podstawie zaczęli uczyć komputer samodzielnego rozpoznawania budowy serca. Najlepszy wynik osiągnęli, gdy ekspert wykonał swoją pracę na niewielkiej części obrazu, stanowiącej zaledwie 11% całości. Okazało się, że gdy człowiek obrobił takie fragmenty na 14 fotografiach, to komputer z 90% dokładnością był w stanie obrobić cały zestaw składający się z 200 zdjęć. Gdy zaś specjalista obrobił fragmenty 3 fotografii, dokładność komputera dla całego skanu wynosiła 80%. Golland uważa, że algorytm uda się jeszcze udoskonalić. W sumie cała procedura obróbki przez człowieka i komputer zajęła około godziny. Kilka kolejnych godzin trzeba było poświęcić na wydruk modelu 3D.

W zaplanowanych na jesień testach klinicznych nowej techniki zostaną użyte dane 10 pacjentów, którzy byli w przeszłości leczeni w Bostońskim Szpitalu Dziecięcym. Każdy z 7 wspomnianych chirurgów otrzyma komplet danych na temat każdego z pacjentów. Dane to surowe skany MRI oraz - losowo - model fizyczny serca lub komputerowy model 3D. Ten ostatni będzie, również losowo, albo utworzony na podstawie całkowicie ręcznej obróbki MRI albo obróbki za pomocą nowej techniki. Na podstawie takich danych każdy z chirurgów będzie musiał stworzyć plan operacji. Plany te zostaną następnie porównane z dokumentacją zabiegów chirurgicznych każdego z pacjentów. W ten sposób można będzie się przekonać, czy fizyczne modele 3D są w stanie poprawić sposób przeprowadzania operacji.

Modele 3D na pewno pomogą - mówi kardiochirurg Sitaram Emani, który nie był zaangażowany w prace nad nową technologią. Używaliśmy takich modeli na kilku pacjentach w przeszłości i przed prawdziwą operacją przeprowadzaliśmy operację wirtualną. To pomagało nam ograniczyć czas operacji. Myślę, że takie modele pozwolą też zmniejszyć liczbę niepotrzebnych blizn, gdyż będziemy mogli dokładnie zaplanować cięcia. Ponadto modele 3D pozwolą też na stworzenie odpowiednich protez dla pacjentów. W końcu, takie modele ułatwią nam rozmowę z rodzinami, którym wyjaśniamy, jak będzie przebiegała operacja, a które przecież nie znają anatomii serca, dodaje.

« powrót do artykułu