МИНИТОМОГРАФ В ПРАКТИКЕ ТОПОГРАФИИ АНАТОМИЧЕСКИХ СТРУКТУР КИСТИ

Микусев  Г.И.¹, Гизатуллин Б.И.², Байкеев Р.Ф.³, Зарипов Т.А.², Дрогиницкий М.М.³, Скирда В.Д.³, Зайдуллин С.С.⁴, Хазиахметов А.Р.⁴, Михайлов Д.Г.⁴

¹Кандидатмедицинских наук, ²инженер , ³профессор доктор медицинских наук, ²инженер,  ²профессор, доктор  физико - математических наук, заведующий кафедрой.,  ²инженер ,  ⁴кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой , ⁴инженер-программист, ⁴магистр прикладной математики и информатики, ¹ГАУЗ «ГКБ №7» г. Казань, кафедра травматологии и ортопедии ГБОУ ДПО КГМА МЗ РФ, кафедра травматологии, ортопедии и ХЭС КГМУ, ²Институт физики, Казанский (Приволжский) Федеральный Университет,  ³кафедра биохимии КГМУ, ⁴кафедра прикладной математики и информатики КНИТУ

МИНИТОМОГРАФ В ПРАКТИКЕ ТОПОГРАФИИ АНАТОМИЧЕСКИХ СТРУКТУР КИСТИ

Аннотация

Специалисты по хирургии кисти на  этапе планирования операции нуждаются в получении 2Dизображения  области интереса кисти. Оптимальным методом для этого служит МР томография.

Цель исследования:  изучить возможность использования мини томографа (1.5 Т) для получения качественного изображения анатомических структур кисти.

Задачи исследования:

1. Идентифицировать анатомические структуры по данным МР томографии (1.5 Т) с использованием мини-томографа.
2. Разработать компьютерную  программу, позволяющую в полуавтоматическом режиме получать 2D изображение произвольного сечения анатомических структур кисти.

Практическое применение: Минитомографрекомендуется к применению в практике идентификации топографии анатомических структур  кисти в условиях профильного и непрофильного стационара. Использование авторской  полуавтоматической системы обработки данных МР топографии кисти с использованием интегрированной среды разработки позволяет получать изображение произвольного сечения анатомических структур кисти.

Ключевые слова: кисть, мини   МР томограф,  изображение анатомических структур.

MikusevG.I¹.,GizatullinB.I². ,BaikeevR.F.³, ZaripovTA², DroginitskyM.M.³, SkirdaV.D.3, ZaydullinS.S.⁴, KhaziakhmetovA.R.⁴,MikhailovD.G⁴.

¹CADHS "CСH №7» Kazan, Department of Traumatology and Orthopedics of  SBEO APE  KSMA Ministry of Healthof RF, Department of traumatology, orthopedics and SES KSMU, ² Institute of Physics, Kazan (Volga) Federal University, ³KSMUDepartment of Biochemistry, ⁴ Department of the Applied Mathematics and Computer KSITU

MRMINISCANNER PRACTICE IDENTIFYING OF THE TOPOGAPHY OF THE ANATOMICAL STRUCTURES OF THE HAND.

Abstract

Specialists in hand surgery at the planning stage operations need to obtain a 2D image area of ​​interest of the hand. The best method for this is the MR imaging.

The goal of study: to investigate the possibility of using a mini-scanner (1.5 T) to obtain high-quality images of anatomical structures of the hand.

Objectives of the study:

1. Identify the anatomical structures according to MR imaging (1.5 T), using a mini-scanner.
2. To develop a computer program that allows semi-automatically receive a 2D image of an arbitrary cross section of anatomical structures of the hand.

Practical application: Mini scanner is recommended for use in the practice of identifying the topography of anatomical structures of the hand in a profile and non-profile hospital. Using the author's semi-automatic data processing system MP topography brush using an integrated development environment allows you to obtain an image of an arbitrary section of the anatomical structures of the hand.

Keywords: hand, Mini MR scanner, the image of anatomical structures

Актуальность проблемы. Кисть – уникальный орган, обеспечивающий возможность выполнения как грубых, так и тонких манипуляций предметами, и по способствовавший выделению человека среди животного мира. Уникальность кисти обеспечивается ее сложным анатомическим строением и биомеханическим функционированием.

Кисть состоит из трех частей: запястье, пясть и пальцы  основу которых составляют 27 костей. На ладони кожа кисти плотная и малоподвижная, подкожная клетчатка не выражена, по центру имеет жировые комочки. Глубже располагается фасциальная фиброзная прослойка треугольной формы обращенная основанием в сторону пальцев - ладонный апоневроз, поражающаяся при болезни (контрактуре) Дюпюитрена, толщиной в  норме до 1 миллиметра.  Под ним располагаются пальцевые артерии и нервы, сухожилия сгибателей пальцев кисти. Мышцы ладони делятся на 3 группы: среднюю и две боковые. Первая находится в углублении между ладонными валиками и представлена сухожилиями мышц сгибателей пальцев, червеобразными и межкостными мышцами. Боковые мышцы представлены мышцами возвышения первого пальца и мизинца. Кожа тыльной стороны кисти очень подвижна, подкожная клетчатка— рыхлая, фасциальный лист тыла тоньше ладонного, состоит из 2 листков, из которых глубокий покрывает пясть и межкостные мышцы. Пальцы представляют дистальные окончания кисти, числом 5, анатомически и функционально в значительной степени друг от друга независимые, состоящие каждый из системы костных рычагов, соединенных истинными суставами, допускающими большую и разнообразную подвижность. Кожа на ладонной стороне пальцев толстая, малоподвижная. В глубине плотной подкожной клетчатки расположены фиброзные каналы (сухожильные влагалища), в которых проходя сухожилия сгибателей падьцев. На тыльной стороне пальцев кожа очень подвижна и кроме ногтевой фаланги часто снабжена волосками. Подкожная клетчатка бедна жиром, под ней находится апоневроз сухожильный разгибательный аппарат пальцев (Привес М.Г., 1974; Brenner P., 2003).

Доля заболеваний кисти распределяется следующим образом: стеноз сухожильных каналов 6-8%, врожденные деформации до 3%, опухоли и опухолевидные заболевания кисти 8,2%. Болезнь Дюпюитрена составляет 20% от всех заболеваний кисти у людей старше 65 лет [Mikkelson O.A., 1990]. Распространенность болезни Дюпюитрена среди населения США составляет 2-3%, во Франции - 8,8% [G.Lucas, A.Brichet, Y. Roquelaure, 2008], в Германии - 20% населения старше 50 лет, в РФ - 11,8% от всех заболеваний кисти [Шапиро К.И., 1976]. Патогенез развития болезни Дюпюитрена вызывает большой интерес многих специалистов в мире (BeckerK., etal., 2014; Usó S.M. et al., 2014).

Использовался магнитно – резонансныйминитомограф на базе сверхпроводящего магнита ТМР «MobiRT – 122x»

Технические характеристики:  Напряженность магнитного поля – 1.5 Т, неоднородность магнитного поля в цилиндре 160 мм × 160 мм – не более 10 ppm, зазор МС для размещения конечности пациента – 160 мм, максимальные градиенты – 15 мТ/м ;Диапазон частот – 64Мгц, катушка типа “птичья клетка ”. Последовательности сканирования  2D спин – эхо (SE) ,TR=300 мс, TE= 14 мс.Характеристики изображений  минимальная толщина слоя - 3 мм в режимах 2D, 1 мм в режиме 3D размер матрицы изображения – от 64х64 до 512х512. База данных состоит из двух частей – собственно выполняемой программы TomBase.exe и серверной части, использующей Microsoft SQL ServerMSDE. При работе в сети  SQL Server инсталлируется только на одном компьютере (рабочей станции), а копии программы TomBase.exe должны быть установлены на каждом из компьютеров сети.

Разное программное обеспечение современных МР томографов, позволяет создавать 2 D или 3D изображения, основанные на регистрации сигналов в различных режимах работы прибора. С этой целью применяется и контрастирование с применением фармакологических препаратов (в частности ,на основе Gadolinium, ⁶⁴Gd). На сегодняшний день на основе хелатных комплексов гадолиния создано множество контрастирующих препаратов. В России прошли испытания и допущены к клиническому применению следующие из них: гадовист, дотарем, премовист, омнискан, магневист. Перечень возможностей включает изолированную визуализацию вен и артерий и иных анатомических структур в случае их контрастного изображения по сравнению с прочими структурами (DynamicShuttle, AngioViz). Используется также  вариант обработки томограмм обозначаемый как  метод максимальной интенсивности проекции. Однако и эта система технологий  построения изображения имеет свои ограничения. Главенствующим из которых является невозможность для врача – исследователя  произвольно менять перечень проекций при построении изображений, ввиду отсутствия технических условий для изменения программных обеспечения, что предусмотрено производителем МР – томографа, c одной стороны, и специфика анатомического органа с другой.

Одним из вариантов получения произвольной проекции    является построение 2D  или 3D изображения непосредственно из самого МРТ изображения, фактически «поверх его».

При нашем подходе была использована полуавтоматическая система обработки данных МР топографии кисти пальцев с использованием интегрированной среды разработки. Интегри́рованная среда́ разрабо́тки, ИСР (англ. IDE, Integrateddevelopmentenvironment) - система программных средств, используемая программистами для разработки программного обеспечения (ПО).

Обычно, среда разработки включает в себя: текстовый редактор, компилятор и/или интерпретатор, средства автоматизации сборки, отладчик. Иногда содержит также средства для интеграции с системами управления версиями и разнообразные инструменты для упрощения конструирования графического интерфейса пользователя. Многие современные среды разработки также включают браузер классов, инспектор объектов и диаграмму иерархии классов - для использования при объектно-ориентированной разработке ПО. Существуют ИСР, предназначенные для нескольких языков программирования - такие как Eclipse, Embarcadero RAD Studio, QtCreator, последние версии NetBeans, Xcode или MicrosoftVisualStudio, но обычно ИСР предназначается для одного определённого языка программирования - как, например, VisualBasic, Delphi, Dev-C++.

Интегрированные среды разработки были созданы для того, чтобы максимизировать производительность программиста благодаря тесно связанным компонентам с простыми пользовательскими интерфейсами. Это позволяет разработчику сделать меньше действий для переключения различных режимов, в отличие от дискретных программ разработки. Однако, так как ИСР является сложным программным комплексом, то лишь после долгого процесса обучения среда разработки сможет качественно ускорить процесс разработки ПО. Для уменьшения барьера вхождения многие ИСР достаточно интерактивны, а для облегчения перехода с одной на другую интерфейс у одного производителя максимально близок, вплоть до использования одной ИСР.

Использованное в настоящем исследовании программное обеспечение разработано на языке программирования Java, т.к. - этот современный объектно-ориентированный язык программирования, предназначенный для разработки приложений, не зависит от программно-аппаратной платформы компьютера, на котором они выполняются.

Для исполнения программы, написанной на языке Java, использовали исполняемую среду Java, роль которой выполняла виртуальная машина Java (JVM –JavaVirtualMachine).

Для разработки и исполнения программ использовали компилятор Java интерпретатор байт-кода с набором стандартных библиотек. Все это входило всостав пакета для разработки программ, выпускаемых фирмой SunMicrosystems, JavaDevelopmentKit-JDK.

В качестве расширяемой среды разработки использоваласьEclipse с открытым исходным кодом (OpenSource). Платформа Eclipse в сочетании с JDT включала многие из возможностей, которые включаются в коммерческие IDE: редактор с подсветкой синтаксиса, инкрементальная компиляция кода, потокобезопасный отладчик, навигатор по классам, менеджеры файлов и проектов, а также интерфейсы к стандартным системам контроля исходных текстов, таким как CVS и ClearCase.

Для реализации 3D визуализации кисти и апоневроза использовали 3D движок jMonkeyEngine. Полностью поддерживались версии OpenGL со второй по четвёртую.

Для запуска разработанного программного обеспечения необходим персональный компьютер, соответствующий следующим минимальным системным требованиям:1. Операционная система Windows XP x86, Windows XP x64 (или выше), 2. Видеокарта с полной поддержкой OpenGL 2.0 (встроенные решения Intelнеподдерживаются), 3. Установленное окружение исполнения Java x86 или Java x64 (JavaRuntimeEnvironment).

В практической работе хирурга важно получение не столько 3D изображения, а именно 2D изображения анатомической зоны хирургического интереса. Использованное программное обеспечение позволило получить ряд преимуществ 2D МРТ технологии по сравнению с традиционными подходами показанными на ряде клинических примеров. Преимущества коснулись, в первую очередь, в части уменьшения финансовой составляющей  единичного МРТ сеанса при идентификации топографии анатомических структур кисти. Касательно медицинской составляющей, то при качестве сопоставимом с высокопольными МР томографами получены удовлетворительные, с точки зрения клинического целевого назначения, данные. Четко визуализированы: контур мягких тканей кисти, ладонный апоневроз, сухожильный аппарат, сосудисто - нервные пучки и костная основа кисти.

Вывод: Минитомограф рекомендуется к применению в практике идентификации топографии анатомических структур  кисти в условиях профильного и непрофильного стационара.

Литертура

1. Привес М.Г., Лысенков Н.К., Бушкович В.И. /Анатомия человека/ - Москва: Медицина, 1974 - с.670
2. Шапиро К.И. О частоте заболеваний кисти у взрослого населения городов. Повреждения и заболевания кисти: (тезисы) / К.И. Шапиро // Труды ЛИТО. - Л.: 1976. - Вып. 13. - С. 5-7.
3. Brenner P. Dupuytren`s disease A concept of surgical treatment / P. Brenner, M. Ghazi, Rayan; Wien: Springer. 2003. – 233 p.
4. Lucas G. Dupuytren`s disease: personal factors and occupational exposure / G. Lucas, A. Brichet, Y. Roquelaure // J Ind. Med. - 2008. - Vol. 51 № 1. - P. 9-15.
5. Mikkelson O.A. Epidemiology of a Norwegian population / O.A. Mikkelson // Churchill Livingstone, Edinburgh. - 1990. - P. 191-200.
6. The importance of genetic susceptibility Dupuytren'sdisease / K. Becker, Tinschert,А. Lienert [et al.] // Clin Genet.—2014.—Vol. 22.—P.124—129.
7. The contribution of HLA molecules toDupuytren'scontracturein a Southeast Brazilian population / S.M. Usó, A.C. Sanson, F.S. Covolo-Santana [et al.] // Rev Bras Reumatol.—2014.—Vol. 54(1).— P.38—43.

References

1. Prives M.G., Lysenkov N.K., Bushkovich V.I. /Anatomija cheloveka/ - Moskva: Medicina, 1974 - s.670
2. Shapiro K.I. O chastote zabolevanij kisti u vzroslogo naselenija gorodov. Povrezhdenija i zabolevanija kisti: (tezisy) / K.I. Shapiro // Trudy LITO. - L.: 1976. - Vyp. 13. - S. 5-7.
3. Brenner P. Dupuytren`s disease A concept of surgical treatment / P. Brenner, M. Ghazi, Rayan; Wien: Springer. 2003. – 233 p.
4. Lucas G. Dupuytren`s disease: personal factors and occupational exposure / G. Lucas, A. Brichet, Y. Roquelaure // J Ind. Med. - 2008. - Vol. 51 № 1. - P. 9-15.
5. Mikkelson O.A. Epidemiology of a Norwegian population / O.A. Mikkelson // Churchill Livingstone, Edinburgh. - 1990. - P. 191-200.
6. The importance of genetic susceptibility Dupuytren'sdisease / K. Becker, Tinschert,A. Lienert [et al.] // Clin Genet.—2014.—Vol. 22.—P.124—129.
7. The contribution of HLA molecules toDupuytren'scontracturein a Southeast Brazilian population / S.M. Usó, A.C. Sanson, F.S. Covolo-Santana [et al.] // Rev Bras Reumatol.—2014.—Vol. 54(1).— P.38—43.