Визуализация в медицине

Чтобы узнать, какие процессы происходят внутри тела пациента, врач делает КТ- или МРТ‑снимок. Это уже стало привычной реальностью. Но диагностика с помощью медицинских изображений продолжает совершенствоваться. Учёные открывают новые методы и работают над улучшением существующих. Исследовательская траектория тесно связана с искусственным интеллектом и теми возможностями, которые он открывает.

Что такое визуализация в медицине

Визуализация в медицине — это направление, которое помогает оценивать структуру органов и их функцию на клеточном и молекулярном уровнях. Для этого специалисты получают изображения, а затем изучают их и ставят диагноз¹.

Медицинская визуализация прошла путь длиной более чем в сто лет: от открытия рентгеновских лучей в конце XIX века до разработки современных КТ- и МРТ-аппаратов¹.

Новая веха в истории диагностических изображений связана с появлением искусственного интеллекта (ИИ). Алгоритмы предоставляют цифровой «взгляд» на исследования в клинической медицине²:

• обнаруживают и оценивают аномалии на снимках;

• выявляют изменения, которые с трудом распознаются вручную;

• предсказывают развитие заболевания и реакцию на лечение.

Врач оценивает данные интеллектуальной системы, получая новую диагностическую информацию.

Методы медицинской визуализации

В медицинской визуализации встретились две науки: физика и биология. Первая подсказывает учёным, чем воздействовать на ткань — светом, звуком или ионизирующим излучением. Вторая помогает понять, как ткань реагирует на это воздействие. Все ответы скрываются в диагностическом изображении, которое анализирует врач.

Ультразвуковое исследование

Ультразвуковое исследование (УЗИ) использует высокочастотные звуковые волны, чтобы получить изображение³:

1. Ультразвуковой датчик испускает звуковые волны.

2. Они отражаются от разных частей тела, создавая эхо.

3. Отражённые волны регистрируются датчиком.

4. На монитор выводится движущееся изображение органов.

Метод используется в разных направлениях медицины⁴:

• диагностическое: визуализация органов, например печени или щитовидной железы, изучение роста и развития плода при беременности;

• функциональное: помогает измерить скорость и направление движения крови в сосудах и сердце;

• интервенционное: помогает контролировать лечебные манипуляции, например продвижение иглы в тканях.

Датчик передвигается по поверхности кожи, вводится внутрь тела или закрепляется на эндоскопе³.

Компьютерная томография

Компьютерная томография (КТ) — это метод визуализации, который сочетает рентгеновское излучение и компьютерные технологии, чтобы получить изображение тела внутри⁵.

Исследование проводится в несколько этапов⁶:

1. Рентгеновская трубка вращается вокруг тела пациента внутри кольцевой части аппарата — гентри.

2. На каждом обороте компьютеризированная система создаёт 2D-срез — изображение поперечного сечения тела.

3. Врач-рентгенолог регулирует толщину среза — она может составлять от 1 до 10 миллиметров.

В некоторых случаях, чтобы улучшить визуализацию анатомических структур, используют контраст. В состав препарата входит вещество, хорошо поглощающее рентгеновские лучи, например йод. Контраст помогает отличить на изображении похожие ткани⁷.

Магнитно-резонансная томография

Магнитно-резонансная томография (МРТ) — диагностический метод в медицине, который использует магнитное поле и радиоволны, контролируемые компьютером. МРТ позволяет получить подробное изображение органов и тканей пациента⁸.

Молекула воды состоит из атомов кислорода и водорода. В центре атома водорода есть более мелкая частица — протон. В ходе исследования используют свойства протона, чтобы получить изображение⁹:

1. Магнитное поле заставляет протоны выстраиваться в одном направлении.

2. Периодически посылаемые радиоволны меняют положение протонов.

3. После прекращения воздействия радиоволн протоны возвращаются в исходное состояние, создавая радиосигнал.

4. Радиосигналы от разных протонов регистрируются, превращаясь в пиксели изображения.

Процесс возвращения протона в исходное состояние после воздействия радиоволн называется релаксацией. Она происходит в двух плоскостях: продольной и поперечной. Чтобы оценить, какое время потребовалось протону в каждом случае, используют показатели T1 и T2¹⁰. Для каждого из этих режимов характерна своя интенсивность сигнала и итоговая визуализация.

Например, жировая ткань в режиме T1 подаёт сигнал высокой интенсивности и выглядит ярко-белой. В режиме T2 получается наоборот: сигнал слабый, а ткань на изображении относительно тёмная. Врач выбирает подходящие настройки, чтобы оценить, как выглядит анатомическая область в разных режимах¹¹.

Ядерная медицина

Методы ядерной медицины основаны на использовании радиоактивных веществ — радионуклидов. Их излучение регистрируется специальными устройствами¹².

Принцип диагностики в ядерной медицине¹³:

1. Радионуклидом маркируют биологическую молекулу, которая метаболизируется организмом. Выбор молекулы зависит от целей исследования.

2. Полученный радиофармпрепарат вводят в организм, чаще всего внутривенно.

3. Он накапливается в определённом органе.

4. Специальный сканер или камера регистрирует, как распределяется радионуклид.

Различают несколько методов диагностики в ядерной медицине¹⁴:

• Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ): регистрирует гамма‑лучи, исходящие от радиофармпрепарата. Используется в диагностике сердечно-сосудистых заболеваний, нарушений костей, неврологических расстройств.

• Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ): распад радионуклидов приводит к образованию позитронов. Эти частицы реагируют с электронами. Процесс сопровождается излучением, которое обнаруживают детекторы. ПЭТ используется для обнаружения рака и метастазов.

В ряде случаев источник инфекционного процесса может быть неясен или неизвестен. Это затрудняет постановку диагноза и лечение. Ядерная медицина помогает идентифицировать очаг инфекции¹⁵.

Эластография

Эластография — технология визуализации, которая позволяет качественно и количественно оценить жёсткость тканей¹⁶.

Основное применение эластографии в медицине — оценка печени на наличие фиброза. Фиброз возникает из-за длительного повреждения органа. Ткань печени постепенно замещается на более плотную соединительную. Функция и кровоснабжение органа постепенно снижаются, поэтому процесс фиброза важно контролировать¹⁷.

Для этого используют эластографию в сочетании с двумя методами^18,19:

• Ультразвуковая эластография. Звуковые волны, испускаемые датчиком, помогают оценить механические свойства ткани.

• Магнитно-резонансная эластография (МРЭ). МРТ сочетается со звуковыми волнами низкой частоты, чтобы получилась визуальная карта жёсткости тканей — эластограмма.

С помощью эластографии также оценивают молочные железы, щитовидную железу и простату¹⁸.

Тактильная визуализация

Тактильная визуализация — это технология, которая переводит чувство прикосновения в цифровое изображение²⁰.

Метод является цифровым аналогом пальпации — физикального осмотра в медицине. Врач касается тела пациента, чтобы оценить размер, консистенцию, местоположение и болезненность органа²¹.

Сейчас разрабатывают системы тактильной визуализации для оценки состояния органов малого таза. Основная часть аппарата — зонд, который вводится во влагалище. На конце зонда есть датчик: он оценивает давление, оказываемое на ткани²².

Фотоакустическая визуализация

Метод основан на фотоакустическом эффекте²³:

1. Объект подвергается воздействию лазера.

2. Поглощённая тканью световая энергия преобразуется в тепло.

3. Физические свойства ткани меняются.

4. Создаётся ультразвуковой сигнал.

Последний регистрируется датчиками. Данные о том, как ткань отвечает на воздействие светом, позволяют создать диагностическое изображение. Фотоакустическая визуализация помогает исследовать разные анатомические области²⁴:

• Опухоли головного мозга. Пока исследования проводятся на животных, так как толщина черепа человека затрудняет диагностику.

• Щитовидная и молочная железы. Проводились исследования, в рамках которых система помогла изучить сосудистую сеть органов.

• Кожа. В экспериментах на мышах удалось оценить скорость и направление кровотока в мелких сосудах кожи. Это может быть полезно при диагностике меланомы. Также фотоакустическая визуализация даёт информацию о глубине ожога.

На фотоакустическом эффекте основана мультиспектральная оптоакустическая томография (МСОТ). Метод позволяет не только построить изображение, но и определить относительное содержание кислорода и гемоглобина в зоне сканирования. Можно исследовать ткани глубиной до нескольких сантиметров²⁵.

Термография

Медицинская термография — метод регистрации инфракрасного излучения, связанного с температурой определённой области тела. Температура — биомаркер ряда патологических процессов. Её колебания могут быть связаны²⁶:

• с изменением кровотока при травме;

• с воспалением;

• с лихорадкой;

• со снижением мышечной активности;

• с развитием сосудов опухоли.

Изображения — тепловые карты — помогают узнать, как распределяется температура в определённой области тела. Есть опыт применения термографических систем в диагностике рака молочной железы, диабета, неврологических и сосудистых расстройств. Немаловажные преимущества в том, что исследование можно проводить бесконтактно, а пациент не подвергается ионизирующему излучению²⁷.

IT в медицинской визуализации

Информационные технологии помогают хранить и передавать медицинские изображения и связанную с ними информацию. Для управления и обмена данными используется стандарт DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine). Интерфейс DICOM поддерживают разные типы устройств: диагностические аппараты, рабочая станция врача, принтер. Благодаря единому стандарту приборы «понимают» друг друга, а снимок успешно проходит путь от того же томографа до готовой плёнки²⁸.

Изображение может выйти зашумлённым и низкоконтрастным. Иногда обнаруживаются посторонние артефакты. Не всегда целесообразно делать новый снимок, особенно если пациент в тяжёлом состоянии или исследование связано с лучевой нагрузкой.

Технологии помогают улучшить качество изображений: повысить контрастность, подавить шум, уменьшить выраженность артефактов. На выходе получается снимок, который больше расскажет врачу²⁹.

Благодаря программному обеспечению для 3D-реконструкции анатомические структуры предстают перед врачом и пациентом в более привычном и наглядном виде. Технология использует КТ-срезы, полученные в разных плоскостях, для построения трёхмерной модели органа³⁰.

ИИ и его ветви — машинное и глубокое обучение — используются в разных областях медицины. В медицинской визуализации они повышают точность и скорость интерпретации изображения. Медицинский цифровой диагностический центр (MDDC) от СберМедИИ включает алгоритмы на основе ИИ, улучшающие анализ данных:

• КТ головного мозга. ИИ анализирует КТ-снимки головного мозга без контраста и выделяет зоны, где нарушено мозговое кровообращение. Сервис помогает выявить и оценить изменения при инсульте.

• КТ грудной клетки. Определяет на КТ-снимках локализацию и процент поражения лёгочной ткани при пневмонии. Система обнаруживает минимальные узелковые новообразования, которые могут стать ранним признаком онкологии.

• Маммография. Алгоритм выделяет контуры подозрительных очагов на цифровых маммограммах и определяет вероятность злокачественного процесса.

Есть алгоритмы, которые помогают подготовить протокол исследования. Например, сервис УЗИ объединяет данные измерений и ультразвуковой семиотики. Технология помогает снизить нагрузку на врача, избавляя от бумажной работы.

Источники

1. Bercovich E, Javitt MC. Medical Imaging: From Roentgen to the Digital Revolution, and Beyond. Rambam Maimonides Med J. 2018 Oct 4;9(4):e0034. doi: 10.5041/RMMJ.10355. PMID: 30309440; PMCID: PMC6186003.

2. Oren O, Gersh BJ, Bhatt DL. Artificial intelligence in medical imaging: switching from radiographic pathological data to clinically meaningful endpoints. Lancet Digit Health. 2020 Sep;2(9):e486-e488. doi: 10.1016/S2589-7500(20)30160-6. PMID: 33328116.

3. Ультразвуковое сканирование [Электронный ресурс]: NHS. URL: https://www.nhs.uk/conditions/ultrasound-scan/.

4. Ультразвук [Электронный ресурс]: National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering. URL: https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/ultrasound.

5. Компьютерная томография (КТ) [Электронный ресурс]: Johns Hopkins Medicine. URL: https://www.hopkinsmedicine.org/health/treatment-tests-and-therapies/computed-tomography-ct-scan.

6. Patel PR, De Jesus O. CT Scan. [Updated 2022 Jan 5]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2022 Jan-. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK567796/.

7. Rawson JV, Pelletier AL. When to Order a Contrast-Enhanced CT. Am Fam Physician. 2013 Sep 1;88(5):312-6. PMID: 24010394.

8. МРТ [Электронный ресурс]: Mayo Clinic. URL: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/mri/about/pac-20384768.

9. МРТ-сканирование: обзор [Электронный ресурс]: NHS. URL: https://www.nhs.uk/conditions/mri-scan/.

10. Grover VP, Tognarelli JM, Crossey MM, Cox IJ, Taylor-Robinson SD, McPhail MJ. Magnetic Resonance Imaging: Principles and Techniques: Lessons for Clinicians. J Clin Exp Hepatol. 2015 Sep;5(3):246-55. doi: 10.1016/j.jceh.2015.08.001. Epub 2015 Aug 20. PMID: 26628842; PMCID: PMC4632105.

11. Магнитно-резонансная томография [Электронный ресурс]: MSD Manual Professional Version. URL: https://www.msdmanuals.com/professional/special-subjects/principles-of-radiologic-imaging/magnetic-resonance-imaging.

12. Tafti D, Banks KP. Nuclear Medicine Physics. [Updated 2022 Feb 17]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2022 Jan-. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK568731/.

13. Радионуклидное сканирование [Электронный ресурс]: MSD Manual Professional Version. URL: https://www.msdmanuals.com/professional/special-subjects/principles-of-radiologic-imaging/radionuclide-scanning.

14. Ядерная медицина [Электронный ресурс]: National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering. URL: https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/nuclear-medicine.

15. Sureshkumar A, Hansen B, Ersahin D. Role of Nuclear Medicine in Imaging. Semin Ultrasound CT MR. 2020 Feb;41(1):10-19. doi: 10.1053/j.sult.2019.10.005. Epub 2019 Oct 14. PMID: 31964489.

16. Sigrist RMS, Liau J, Kaffas AE, Chammas MC, Willmann JK. Ultrasound Elastography: Review of Techniques and Clinical Applications. Theranostics. 2017 Mar 7;7(5):1303-1329. doi: 10.7150/thno.18650. PMID: 28435467; PMCID: PMC5399595.

17. Bataller R, Brenner DA. Liver fibrosis. J Clin Invest. 2005 Feb;115(2):209-18. doi: 10.1172/JCI24282. Erratum in: J Clin Invest. 2005 Apr;115(4):1100. PMID: 15690074; PMCID: PMC546435.

18. Эластография [Электронный ресурс]: MedlinePlus. URL: https://medlineplus.gov/lab-tests/elastography/.

19. Магнитно-резонансная эластография [Электронный ресурс]: Mayo Clinic. URL: https://www.mayoclinic.org/tests-procedures/magnetic-resonance-elastography/about/pac-20385177.

20. Egorov V, van Raalte H, Takacs P, Shobeiri SA, Lucente V, Hoyte L. Biomechanical integrity score of the female pelvic floor. Int Urogynecol J. 2022 Jun;33(6):1617-1631. doi: 10.1007/s00192-022-05120-w. Epub 2022 Mar 1. PMID: 35230483; PMCID: PMC9206610.

21. Пальпация [Электронный ресурс]: MedlinePlus. URL: https://medlineplus.gov/ency/article/002284.htm.

22. Egorov V, van Raalte H, Sarvazyan AP. Vaginal tactile imaging. IEEE Trans Biomed Eng. 2010 Jul;57(7):1736-44. doi: 10.1109/TBME.2010.2045757. Epub 2010 May 17. PMID: 20483695; PMCID: PMC3079341.

23. Wang Z, Zhan M, Hu X. Pulsed Laser Excited Photoacoustic Effect for Disease Diagnosis and Therapy. Chemistry. 2022 Jul 1;28(37):e202200042. doi: 10.1002/chem.202200042. Epub 2022 May 19. PMID: 35420714.

24. Steinberg I, Huland DM, Vermesh O, Frostig HE, Tummers WS, Gambhir SS. Photoacoustic clinical imaging. Photoacoustics. 2019 Jun 8;14:77-98. doi: 10.1016/j.pacs.2019.05.001. PMID: 31293884; PMCID: PMC6595011.

25. Helfen A, Masthoff M, Claussen J, Gerwing M, Heindel W, Ntziachristos V, Eisenblätter M, Köhler M, Wildgruber M. Multispectral Optoacoustic Tomography: Intra- and Interobserver Variability Using a Clinical Hybrid Approach. J Clin Med. 2019 Jan 9;8(1):63. doi: 10.3390/jcm8010063. PMID: 30634409; PMCID: PMC6352009.

26. Hildebrandt C, Raschner C, Ammer K. An overview of recent application of medical infrared thermography in sports medicine in Austria. Sensors (Basel). 2010;10(5):4700-15. doi: 10.3390/s100504700. Epub 2010 May 7. PMID: 22399901; PMCID: PMC3292141.

27. Lahiri BB, Bagavathiappan S, Jayakumar T, Philip J. Medical applications of infrared thermography: A review. Infrared Phys Technol. 2012 Jul;55(4):221-235. doi: 10.1016/j.infrared.2012.03.007. Epub 2012 Apr 13. PMID: 32288544; PMCID: PMC7110787.

28. Bidgood WD Jr, Horii SC, Prior FW, Van Syckle DE. Understanding and using DICOM, the data interchange standard for biomedical imaging. J Am Med Inform Assoc. 1997 May-Jun;4(3):199-212. doi: 10.1136/jamia.1997.0040199. PMID: 9147339; PMCID: PMC61235.

29. Mentzel HJ. Künstliche Intelligenz bei Bildauswertung und Diagnosefindung: Was bringt das in der Kinder- und Jugendradiologie? [Artificial intelligence in image evaluation and diagnosis]. Monatsschr Kinderheilkd. 2021;169(8):694-704. German. doi: 10.1007/s00112-021-01230-9. Epub 2021 Jul 2. PMID: 34230692; PMCID: PMC8250551.

30. Bailer R, Martin RCG 2nd. The effectiveness of using 3D reconstruction software for surgery to augment surgical education. Am J Surg. 2019 Nov;218(5):1016-1021. doi: 10.1016/j.amjsurg.2019.07.045. Epub 2019 Aug 6. PMID: 31434615; PMCID: PMC9160784.