Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Математическое моделирование трехмерной реконструкции биообъекта по данным секторального сканирования
1.1. Биообъект как система, модельный анализ его состояния и классификация моделей биообъекта 12
1.2. Статистика аномалий строения биообъекта по результатам патологоанатомического анализа 21
1.3. Эволюция методов математического моделирования трехмерной реконструкции формы желудочков
сердца по данным ультразвукового исследования 26
Выводы по главе 1 51
ГЛАВА 2. Теоретические аспекты и основные принципы построения математических моделей биообъекта на этапе ранней диагностики сердечнососудистых заболеваний
2.1. Концепция ранней диагностики аномалий строения биообъекта и его состояния 52
2.2. Критерии отбора показателей состояния биообъекта и создание единого информационного поля проводимых исследований 57
2.3. Алгоритм установления опорных точек каркасной модели левого желудочка сердца с аномально расположенными хордами 82
2.4. Математическая модель внутренней поверхности полости сердца и его трехмерной реконструкции 87
Выводы по главе 2 103
ГЛАВА 3. Диагностика функционального состояния левого желудочка сердца с аномально расположенными хордами
3.1. Анализ параметров внутренней поверхности полости левого желудочка сердца в ортогональных сечениях и выявление факторов влияющих на его геометрию 105
3.2. Методы расчета объема левого желудочка сердца с аномально расположенными хордами 108
3.3. Оценка локальной сократимости левого желудочка по данным ультразвукового секторального сканирования 113
3.4. Разработка комплекса программ по реализации методов ультразвукового секторального сканирования биообъекта 115
Выводы по главе 3 130
ГЛАВА 4. Внедрение методов ранней диагностики состояния сердца по результатам ультразвукового секторального сканирования
4.1. Сравнительный анализ методов модельного анализа ориентированных на повышение эффективности решения задач ранней диагностики 132
4.2. Рекомендации по внедрению результатов исследования биообъекта методом секторального сканирования 141
4.3. Перспективы развития современных методов ультразву-ковой диагностики состояния сердечно-сосудистой
системы 149
Выводы по главе 4 152
Заключение и общие выводы 153
Литература
- Статистика аномалий строения биообъекта по результатам патологоанатомического анализа
- Критерии отбора показателей состояния биообъекта и создание единого информационного поля проводимых исследований
- Методы расчета объема левого желудочка сердца с аномально расположенными хордами
- Рекомендации по внедрению результатов исследования биообъекта методом секторального сканирования
Введение к работе
До настоящего времени остается актуальной задача по изучению взаимосвязи и взаимообусловленности адаптивных процессов, протекающих в биообъектах. Для преодоления трудностей на этом пути с позиций системного анализа обычно оценивают состояние этих объектов, для чего активно исследуются структурные и функциональные изменения в них. Однако, формирование единого комплекса исследований в данном направлении и выявление факторов влияющих на состояние биообъектов представляется крайне сложным. Поэтому в практике изучения исследуемых структурно-функциональных показателей состояния рассматриваемых биообъектов все чаще используют методы математического моделирования. В практике медицинских исследований и диагностике сердечно-сосудистых заболеваний задача визуального наблюдения структуры и функции сердца человека имеет огромное значение. Объективная и точная оценка параметров внутрисердечной гемодинамики сердца определяет точную диагностику и правильную тактику ведения больного. Определение размеров, формы и функции отделов сердца дает важную информацию, которая помогает врачу оценить степень влияния патологии на структуру сердца и его работу. Оценка всех этих параметров наиболее эффективна при условии полного представления о форме внутреннего и внешнего контура желудочков.
В свою очередь, современные программные и аппаратурные средства вычислительной техники позволяют осуществить внедрение методов моделирования трехмерной реконструкции биообъектов, связанных с визуализацией аномалии их строения. В развитии данного направления большой вклад внесли Алпатов А.В., Калинин Р.Е., Бокерия Л.А., Takuma S., Zwas D. и другие. Однако мы в своей работе ограничились детальным исследованием полости левого желудочка сердца с аномально расположенными хордами (АРХ), поскольку данная область, с нашей точки зрения, нуждается в более глубоком изучении с позиций указанной проблемы.
Неинвазивное изучение формы сердца осуществляется на основе его структурной модели, то есть формализированого описания данного объекта с помощью математических соотношений, отражающего только его структурные свойства.
Современное развитие программных и аппаратных средств вычислительной техники позволяет эффективно реализовывать математические методы моделирования и трехмерной реконструкции сложных пространственных объектов для визуализации и расчетов основных показателей сердечно-сосудистой системы. Использование модели предоставляет врачу возможность изучения признаков объекта присущих его реальному прототипу.
Для моделирования трехмерной формы объектов используются различные методы, отличающиеся трудоемкостью и количеством исходных данных. Можно выделить две крупные группы: методы, осуществляющие моделирование на основе комбинации простейших геометрических объектов, связи которых заданы либо аналитически, либо таблично, либо графически, и методы, основанные на преобразовании и комбинации аналитически заданных поверхностей. Выбор метода моделирования зависит от той информации, которое техническое средство визуализации способно предоставить исследователю об объекте.
В настоящее время разработаны кардиологические системы и комплексы неинвазивной визуализации, позволяющие получать изображения сердца в каком-либо сечении или проекции [1,2, 3]. Принцип действия таких систем основан на облучении скрытого органа сигналом определенного вида, который при взаимодействии с тканью изменяет свои свойства, либо вызывает отклик, зависящий от свойств ткани. По виду используемого излучения системы делятся на рентгенологические, ультразвуковые и магниторезонансные. Несмотря на большие возможности систем компьютерной томографии на основе рентгеновского излучения и ядерного магнитного резонанса по визуализации внутреннего строения сердца приоритетным методом исследования сердца является эхокардиография [4, 5, 6, 7]. Поэтому
наибольшее распространение получили именно ультразвуковые системы исследования сердца благодаря быстроте получения информации, безопасности для человека и компактности оборудования.
В настоящее время все силы разработчиков систем обработки и анализа данных эхокардиографического исследования направлены на получение как можно большего объема информации по этим данным. Для этого, кроме компьютерного анализа стандартных эхокардиографических изображений, применяется трехмерная реконструкция, значительно расширяющая диагностические возможности эхокардиографии.
Реконструкция трехмерной формы сердца может быть осуществлена по данным одно- и двухмерного эхокардиографического исследования в зависимости от метода, используемого для восстановления формы. Однако ограниченная ультразвуковая визуализация желудочков сердца человека не позволяет эффективно использовать имеющиеся на сегодняшний день методы математического моделирования и трехмерной реконструкции сложных объектов. Их прямое применение приводит к резкому возрастанию трудоемкости ультразвукового исследования, что противоречит его идеологии и ограничивает практическое использование в клинике. Причина заключается в том, что исходными данными для них являются серии срезов, получаемые методами послойного сканирования, недоступного для ультразвукового исследования сердца. Применение известных аппроксимирующих моделей [8, 9, 10], не использующих особенностей геометрических свойств объекта, приводит к огрублению образа и некорректным результатам функционального анализа, что особенно проявляется на правом желудочке. В результате основным требованием к модели выдвигается требование к адекватности и универсальности, т.е. способности использовать различное количество входной информации без значительного снижения точности. В данном случае информативность модели будет определяется способностью воспроизведения свойств оригинала на основе имеющейся информации, а также пригодностью ее параметров для установления диагноза.
7 Современная вычислительная техника позволяет эффективно реализовать не только оценку состояния биообъектов в статике, но и отследить это состояние во времени, а также оценить с достаточной точностью динамику патологических изменений.
Использование математического моделирования и современной вычислительной техники в повседневной клинической практике повысит качество диагностики патологии сердечно-сосудистых заболеваний и обеспечит более строгий выбор тактики ведения больного.
Целью диссертации является повышение эффективности ранней диагностики изменений функционального состояния биообъекта с аномалией строения на базе модельного анализа его трехмерной реконструкции. Задачи:
разработать математическую модель формы левого желудочка сердца с аномально расположенными хордами и его трехмерной реконструкции по минимальному числу проекций полученных в режиме секторального сканирования;
разработать на базе модели трёхмерной реконструкции метод расчета объема желудочка сердца с аномально расположенными хордами по результатам ультразвукового секторального сканирования;
- разработать алгоритм и комплекс программ для компьютерной
обработки результатов моделирования формы желудочка и сократительной
функции сердца с аномально расположенными хордами.
Научная новизна:
предложен и обоснован алгоритм описания формы биообъекта с аномалией строения, заданный с помощью опорных точек и отрезков, образующих устойчивую геометрическую конструкцию, по минимальному числу ультразвуковых проекций;
установлено, что зависимость конфигурации контура биообъекта с аномалией строения по короткой оси, в сечениях полученных при секторальном сканировании на уровне митрального клапана сердца, является
8 определяющей для остальных сечений, а его изменение происходит в соответствии с законом подобия;
- разработана модель трехмерной реконструкции биообъекта с аномалией строения, заданная в виде параметрических поверхностей с деформациями при различных топографических вариантах АРХ;
- предложен метод определения объема биообъекта с аномалией строения по данным секторального сканирования, повышающий точность определения фракции выброса левого желудочка сердца при АРХ.
Практическая значимость:
- предложен метод объективной количественной оценки конфигурации
внутренней поверхности биообъекта с аномалией строения и внешнего
контура полостей желудочков сердца для его ранней диагностики при
синдроме дисплазии соединительной ткани сердца;
- расширена функциональная возможность методов визуализации сердца по
трехмерной реконструкции изображения на базе режима секторального
сканирования сердца;
- разработан комплекс программ для трехмерной реконструкции объекта и
решения задач по расчету объема полости левого желудочка, а также анализа
локальной сократимости миокарда биообъекта с АРХ.
Методы исследований. Для решения задач моделирования был использован аппарат аналитической и дифференциальной геометрии, методы корреляционно-регрессионного анализа. Для реконструкции использовался математический аппарат геометрического и деформационного моделирования криволинейных форм высших порядков.
Достоверность основных положений и полученных результатов подтверждается математическими обоснованиями, корректным использованием математического аппарата аналитической геометрии и ее специальных приложений, а так же тем, что для подготовки патологоанатомических препаратов
9 сечений желудочков использовались апробированные методы, позволяющие сохранить реальную форму желудочков.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в клиническую практику отделений корпусов ФГУ Центральной клинической больницы УД Президента РФ. Полученные результаты используются в педагогическом процессе при обучении клинических ординаторов кафедры кардиологии и общей терапии ФГУ Учебно-научного центра УД Президента РФ.
Апробация диссертации. Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на третьей международной конференции «Высокие медицинские технологии XXI века», Бенидорм, 2004 г., Всероссийском кардиологи-ческом конгрессе г. Томск, 2004 г., Всероссийском съезде педиатров, Москва, 2004 г., международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 2005.
Публикации. Результаты исследований изложены в статьях и тезисах международных докладов. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, практических рекомендаций, списка литературы, двух актов внедрения и приложений. Объем диссертации 168 страниц, 35 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 112 наименований.
Основные положения выносимые на защиту: 1. Количественные критерии сравнительного анализа формы контура внутренней полости левого желудочка с АРХ и внешнего контура желудочков сердца в сечениях сердца перпендикулярно межжелудочковой перегородки и методик поиска на основе представления контура локальными геометрическими деформациями и его аналитического описания гибридными гиперквадриками.
Геометрическая закономерность изменения индивидуальной формы контура левого желудочка сердца с различными топографическими вариантами АРХ в сечениях перпендикулярных межжелудочковой перегородке (по короткой оси) на протяжении всей длины желудочков сердца от митральных клапанов до верхушки подчиняющаяся закону геометрического подобия.
Математическая модель геометрического описания левого желудочка с АРХ сердца заданная в виде параметрических поверхностей с введенными многоуровневыми деформациям полости, позволяющая реконструировать трехмерную форму внутренней и внешней поверхности левого желудочка сердца с АРХ по данным эхокардиографии в условиях не фиксированного количества исходных данных с низкими затратами трудовых и вычислительных ресурсов.
Способ определения объема полостей желудочков сердца по данным системы двухмерной визуализации в целях применения в клинической практике при проведении эхокардиографического обследования, имеющий малую трудоемкость и учитывающий реальную форму левого желудочка с АРХ, что дает принципиальную возможность получения адекватных значений при расчете его объема.
Компьютерная система и программные средства для обработки, визуализации и анализа данных эхокардиографического исследования, позволяющие визуализировать трехмерную форму желудочков сердца и обеспечивающие работу методик функциональной оценки состояния сердца.
Статистика аномалий строения биообъекта по результатам патологоанатомического анализа
Проведено обследование 87 больных (41 мужчины и 46 женщин в возрасте от 57 до 87 лет) умерших от различных причин в больнице на протяжении года, у которых во время патологоанатомического исследования обнаружены АРХ в полости левого желудочка. В исследование включены те лица у которых при жизни, в стационаре проводилось комплексное ультразвуковое исследование сердца. При патологоанатомическом исследовании проводилось макроскопическое обследование сердец умерших больных с целью выявления АРХ в левых и правых отделах сердца, оценивалась их принадлежность к тому или иному топографическому варианту. При макроскопическом исследовании 87 сердец, АРХ были выявлены в 12 (13,7%) случаях. При макроскопической оценке топографических вариантов АРХ в 8% случаев составляли хорды поперечной локализации, поперечные срединные (рис. 1.3), поперечные верхушечные; в 12,6%-диагональные срединные и апикальные. Продольное расположение хорд в полости левого желудочка наблюдалось в 4,6%, множественный вариант хорд в 5,7% случаев в левом желудочке и 1,1% в правом желудочке (табл. 1.1). Патологоанатомическое исследование сухожильных хорд показало, что длина их варьировала от 4 мм до 96 мм, толщина от 0,5 мм до 2,3 мм. По гистологической структуре было выявлено три варианта хорд: фиброзные, фиброзно-мышечные и мышечные, в большинстве случаев (64%) наблюдались фиброзно-мышечные АРХ. При гистологическом исследовании хорды состояли из плотной волокнистой соединительной ткани с большим количеством коллагеновых волокон, мышечные АРХ были в основном представлены сердечными миоцитами, покрытыми тонким слоем эндокарда. В 5 (47%) сердцах в АРХ фиброзно-мышечной структуры обнаружены сердечные проводящие миоциты, представленные Пуркинье подобными клетками (рис. 1.4). Эти клетки были шире и короче кардиомиоцитов, имели располагающиеся центрально ядра, окруженные "светлой зоной". Проводящие клетки были нами обнаружены в составе АРХ с толщиной от 0,7 мм и длиной более 6 мм, диагонально базальной (1,1%), срединно-поперечной (3,4%), продольной (2,3%) локализации, которые располагались между базальными отделами межжелудочковой перегородки и диафрагмальными отделами задней стенки или соединяли базальные септальные отделы и боковую стенку левого желудочка. В 1 (1,1%) случае проводящие сердечные миоциты выявлены в левом желудочке сердца с множественным топографическим вариантом АРХ в двух хордах: поперечно-срединной и продольной локализации, находящихся в пределах выходного тракта и медиальных срезов полости левого желудочка. Пуркинье подобные клетки не были обнаружены в структуре АРХ располагающихся в верхушечных отделах, межпапиллярных хордах, а также в хордах соединяющих папиллярные мышцы и ближайшие стенки левого желудочка. По результатам гистологического исследования также не обнаружены проводящие клетки в хордах мышечной структуры, лежащих на уровне медиальной трети полости, соединяющих медиальные отделы межжелудочковой перегородки и переднюю стенку. Сравнивая топографию АРХ определяемую по данным ЭхоКГ, патоморфологические исследования выявили значительное их разнообразие. Так при ЭхоКГ исследовании нам не удалось выявить АРХ в левых и правых отделах, соединяющих папиллярные мышцы и близлежащие отделы полости левого желудочка, передней локализации длина которых была менее 4 мм. Обнаруженные при патологоанатомическом исследовании в 12 сердцах АРХ, при ультразвуковом исследовании их признаки были зарегистрированы в 10 случаях, отсюда следует, что чувствительность метода ЭхоКГ в выявлении АРХ составила 83,3%. Частая встречаемость желудочковой экстрасистолии, СРРЖ и других нарушений ритма и проводимости у пациентов с АРХ в полости левого желудочка, дает основание предполагать возможную взаимосвязь между ними. Обнаружение проводящих миоцитов в фиброзно-мышечных АРХ еще раз подтверждает высказывавшиеся ранее предположения о прохождении импульса по АРХ, который может опережать внутрижелудочковое проведение, в результате чего происходит более раннее возбуждение прилежащих сегментов левого желудочка и более ранний выход из него этих участков. При наличии продольных и диагональных базально-срединных хорд, импульс от верхней трети межжелудочковой перегородки может проводиться к верхушке сердца в зону распространения передней верхней ветви пучка Гиса, создавая условия для преждевременного возбуждения миокарда.
Таким образом, результаты проведенного гистологического исследования подтверждают результаты ряда авторов, обнаруживших в АРХ сердечные проводящие миоциты и таким образом высказывающих предположение об аритмогенном влиянии АРХ.
Критерии отбора показателей состояния биообъекта и создание единого информационного поля проводимых исследований
Согласно традиционным подходам к изучению критериев отбора показателей сложных биообъектов с аномалией строения, необходимо обогатить представление модели объекта двумя основными способами: введением новых терминов и установлением новых связей. В соответствии с эти подходом существуют два основных типа решения таких задач: конструирование новых признаков и описание признаков в терминах других признаков [39].
Для решения задачи связанной с анализом геометрии желудочков сердца с аномалией строения сопряженной с изучением формы кривой замкнутого контура желудочка в сечении по короткой оси, перпендикулярно межжелудочковой перегородки необходимо соблюдение следующих условий: - форма желудочка с АРХ должна быть представлена набором признаков, которые будут являться общими для формы всех сечений желудочка, и позволяет сравнить форму желудочка сердца в различных сечениях; - выявление признаков конфигурации желудочка с АРХ должны быть выражены через количественные показатели, которые можно измерить и исследовать их взаимосвязь, применяются статистические методы сравнительного анализа.
С геометрической точки зрения, форму желудочка в сечении перпендикулярно межжелудочковой перегородке условно можно представить замкнутой кривой. Изменение конфигурации такой кривой будет отражать изменение формы желудочка, поэтому далее будет рассматриваться не только сама кривая, но и плоская фигура, которую она образует
Для описания формы кривой можно использовать два подхода: качественный и количественный. Первый подход весьма распространен в медицинской литературе. Суть его заключается в сопоставлении фигуры, образованной кривой контура желудочка, с какой-либо известной геометрической формой, которую может представить любой человек. Например: "шарообразная", "эллипсообразная", "ромбическая", "серповидная", "крыловидная" [40]. При морфометрических измерениях такой подход совместно с данными линейных размеров помогает дать развернутое представление о форме желудочка. Однако его недостатки очевидны: - описание и восприятие качественных описаний объектов во многом зависит от личного опыта человека и может не совпадать с мнением другого; - невозможно оценить степень похожести двух форм; - невозможно дать точное описание процессу изменения формы.
Наиболее точное описание контура биообъекта с аномалией строения, имеющего сложную форму, дает количественный метод, при этом кривая на плоскости может быть представлена в виде табличного описания, т.е. координат точек, которые ее образуют. Далее для получения функциональной зависимости осуществляется аппроксимация кривой контура по точкам, принадлежащим кривой и взятым согласно определенному правилу. Таким образом, осуществляется переход от непрерывного описания кривой к дискретному по пространственным координатам. Количество точек, которые будут образовывать кривую контура желудочка, будет зависеть от метода дискретизации [41]: равномерный - постоянный шаг разбиения контура; неравномерный -шаг разбиения контура выбирается адаптивно, согласно скорости изменения кривой контура (производная, плавающая апертура).
При выборе метода дискретизации как основы для описания признаков формы необходимо учитывать следующее обстоятельство, которое справедливо и в общих случаях: получаемые в ходе анализа объекта признаки и описания не должны быть слишком сложны. Простота описания важна не только с точки зрения их последующей интерпретации. Это полностью справедливо для исследований биологических объектов с аномалией строения, имеющих сложные и изменяющиеся связи и признаки. Поэтому в данном случае был бы очевиден выбор неравномерного метода дискретизации. Однако формальный выбор точек на кривой контура желудочка не дает гарантии, что все кривые контура желудочка в различных сечениях будут иметь одинаковое количество аппроксимирующих точек и эти точки будут одинакового расположены на кривой контура. Это сделает невозможным сравнение формы кривых в различных сечениях. Также каждая точка контура, выбранная формально, не будет иметь физического смысла с точки зрения изменения конфигурации контура по физиологическим причинам.
Анализ методов описания формы кривых биологических объектов, в частности желудочка сердца, можно сделать главный вывод: имеющиеся на сегодня методы количественного и качественного описания в прямом виде не применимы для математического описания формы биологических объектов с точки зрения проведения сравнительно анализа. Эффективность применения математических методов описания формы будет зависеть от того, насколько она соответствует физической природе изменения конфигурации кривой контура, а так же от числа параметров, входящих в математическое описание, которое будет равно числу признаков кривой, определяющих ее форму. Поэтому необходимо совмещение качественного и количественного описания формы кривой контура желудочка.
Методы расчета объема левого желудочка сердца с аномально расположенными хордами
Проблема точного определения параметров объема по данным ультразвукового секторального сканирования в настоящее время преставляется чрезвычайно актуальной. В основе данной задачи лежит возможность реализации связанной с восстановлением полной формы биообъекта. Ограничения связанные с акустической доступность и целым рядом других причин не позволяют врачу эксперту проводить расчет параметров гемодинамики и объмов полостей биообъекта в полном объеме.
В настоящее время в ультразвуковой диагностике отсутствует единый подход к расчету объемных показателей полостей сердца. Большое количество предлагаемых в литературе подходов к оценке параметров объемов полостей сердца на основе двухмерных изображений [58, 59], полученных неинвазивными методами, свидетельствует о том, что проблема выбора оптимальных способов расчета объемных показателен окончательно не решена.
При анализе данных ультразвукового исследования врач выбирает метод расчета объема, исходя из своего опыта и данных литературы об адекватности используемого метода. Большинство параметров для расчета насосной функции левого желудочка и сегментарной сократимости рассчитываются с использованием значений объемов желудочков и его необъективное значение может повлиять на результаты исследования и отразиться на тактике ведения пациента с аномалией развития и ремоделированием полости левого желудочка.
Многообразие способов расчета объемов полостей биобъекта вызвано сложностью их пространственной геометрии. Это способствует созданию представления полостей объекта в виде пространственной фигуры правильной геометрической формы. Такая модель позволяет рассчитать показатели объемов полости, при использовании малого числа линейных размеров. Внимание исследователей сосредоточено на левом желудочке сердца, имеющим правильную конфигурацию и наиболее доступного для ультразвуковой визуализации. Самым распространенным методом на основе одномерного ультразвукового режима расчета объема полости левого желудочка является расчет по формуле Teichholz: УЛЖ = -Ь где L - передне-задний размер желудочка. Существует метод расчета, основанный на эллипсоидной модели, а также на основе представления левого желудочка в виде эллипсоида вращения. 8 S2L Удж З 3-я--/), где SD, SL - площади левого желудочка по длинной и короткой осям соответственно, D, Ds - размер полости левого желудочка по длинной и короткой осям.
Также для описания формы левого желудочка применяются гиперболоид, полусфера, усеченная сфера и другие фигуры вращения в зависимости от имеющейся патологии [60 Однако, как и у других методов геометрического моделирования, все также невозможен, либо сильно затруднен расчет объема правого желудочка. Обычно правый желудочек рассматривается как фигура, состоящая из двух частей (приточный и выводной отдел). В этом случае, как правило, проводят моделирование одной из них и получают эмпирические формулы для расчета объема данной области [61, 62].
Основными недостатками перечисленных способов является: - неадекватность отражения конфигурации нормального и патологического сердца человека; - несопоставимость результатов расчета объема одной полости разными методами и, как следствие, отсутствие единых критериев патологии; - невозможность их применения для расчета объема правого желудочка, связанная как с особенностями его ультразвуковой визуализации, так и со сложностью его формы.
Наименьшее число недостатков характерно для параболического правило Simpson, применяемое в математике для приближенного решения интегралов [63], получившее в ультразвуковой диагностике название - метод Simpson. Метод основан на способе определения объема криволинейных фигур и позволяет более точно рассчитать объемные показатели полости, применяется не только к левому желудочку, но и к правому.
Основным и существенным недостатком данного способа является большая трудоемкость исследования, а также в некоторых случаях ограниченная возможность визуализации сечений по короткой оси. Очевидно, что значение объема напрямую зависит от числа исследованных сечений. Известны модификации данного метода, призванные уменьшить трудоемкость исследования. Это достигается ограничением числа параллельных срезов и расчетом объема полости на основе сложных геометрических моделей. Однако и в этом случае их эффективность гораздо ниже, чем у классического метода Simpson и она приближается к методам, использующим геометрические модели.
Таким образом, в настоящее временя отсутствует единый подход к расчету показателей объема полостей желудочков сердца, что наряду с ограничениями методических приемов эхокардиографического исследования затрудняет разработку четких количественных критериев для определения норм и патологий при исследовании биообъекта.
Разработка метода определения объема полости желудочков сердца, который имеет минимальную трудоемкость, а также возможность проведения измерений с помощью ультразвукового сканера и максимально отражать реальную геометрию полостей желудочков биообъекта с особенностями строения представляется актуальной.
Рекомендации по внедрению результатов исследования биообъекта методом секторального сканирования
Диагностическое значение методов исследования биообъекта, зависит не только от информативности метода, но и от его конечной реализации в виде программного обеспечения и возможностей аппаратных средств системы. На начальном этапе разработки компьютерной системы необходимо определить общие принципы ее построения.
Современные ультразвуковые системы, имеют два основных пути реализации программного обеспечения для решения диагностических задач: - методы исследования и диагностики биообъекта реализованы как часть операционной системы ультразвукового сканера; - методы исследования и диагностики биообъекта реализованы в виде отдельной самостоятельной программы или пакета программ для персонального компьютера, подключенного к ультразвуковому сканеру. В настоящее время подавляющее большинство ультразвуковых приборов имеют в своем составе набор различных методик анализа данных ультразвукового исследования, различающихся количеством и степенью сложности. Современные ультразвуковые аппараты способны не только осуществлять ультразвуковую визуализацию сердца, но и выполнять диагностику по оригинальным методам, которые разрабатываются фирмой-производителем для данного прибора. Преимущество такого подхода состоит в том, что врач получает расширенные возможности при диагностике патологии биообъекта, реализованные в одном приборе. Однако данные системы имеют ряд недостатков. Как показывает клиническая практика возможности ультразвуковых сканеров, оснащенных системами диагностики и визуализации биообъекта используются только на половину. Как правило, пользователь ограничен в настройках параметров ультразвукового метода, а использование дополнительных методов невозможно, из-за ограничения возможностей системы. Отсутствие гибкости в корректировке ультразвуковых методов не позволяет использовать их не профессиональным разработчикам для реализации новых алгоритмов обработки данных. Поэтому современные системы разрабатываются на базе персональных компьютеров с открытой архитектурой, которые предоставляют специалистам использовать дополнительные ресурсы по обработке, анализу, архивированию результатов а также получению высокоинформатированного протокола исследования [98].
Основным элементом системы является ультразвуковой сканер и персональный компьютер. Система состоит из следующих модулей
1. Ультразвуковой аппарат. В качестве ультразвукового сканера может быть выбран любой аппарат, отвечающий требованиям безопасности и обеспе чивающий необходимые функциональные возможности. По безопасности ультразвуковой прибор должен отвечать общим требованиям, предъявляемым к электромедицинским приборам, а также специфическим требованиям, связанным с особенностями ультразвукового обследования.
К общим вопросам безопасности относятся требования по защите от поражения электрическим током, от механических опасностей и электромагнитных излучений, регламентированными соответствующими ГОСТ [99, 100, 101, 102]. К специфическим требованиям безопасности относятся все вопросы, касающиеся защиты пациента от воздействия датчиков и ультразвукового излучения [103]. Основным стандартом, определяющим характеристики ультразвуковых медицинских сканеров является ГОСТ 26831-86 "Приборы медицинские ультразвуковые диагностические эхоимпульсные сканирующие" [104]. Выбор ультразвукового сканера согласно этим требованиям обеспечивает работоспособность и технические характеристики всей системы в целом. В данной системе нами использовался аппарат Sonos 5500 фирмы Phillips.
2. Электрокардиограф. Подключение электрокардиографа в данной сис теме обусловлено необходимостью синхронизации регистрируемой видео последовательности с фазами сердечного цикла [100]. Ввод видеопоследовательности необходимо синхронизировать с моментом систолы и продолжать до окончания диастолы. Данная функция реализована на ультразвуковом аппарате и производится в автоматическом режиме. Регистрация электрокардиограммы выполняется в одном из стандартных отведениях (I, И, III).
3. Плата цифрового ввода видеоизображений. Ввод данных видеоизображения в персональный компьютер проводится после преобразования его в цифровую форму. Эту операцию осуществляет устройство цифрового ввода изображений. Данное устройство подобно адаптеру, подключаемому к системной шине компьютера. Основной характеристикой такого устройства является максимальное разрешение (по количеству точек на единицу длины изображения) которое может обеспечить для представления видеоизображения в виде массива цифровых данных.
При работе программного обеспечения в составе компьютерной системы, для ввода видеоизображения (сигнал по ГОСТ 7849-79, CCIR и PAL) в персональный компьютер требуется специализированное устройство, обеспечивающее отцифровку не менее 256 градаций серого изображения при времени не более 20 мс на кадр (размер кадра 352x288 точек). Драйвер устройства должен поддерживать стандартные функции Windows API (Video-for-Windows) по работе с видеоинформацией.
4. Персональный компьютер. В качестве компьютерного модуля может использоваться персональный компьютер IBM PC. Требования по безопасности работы с персональным компьютером изложены в [105].
5. Канал передачи данных. Данные ультразвукового исследования после соответствующей обработки предоставляются пользователю в виде видеоизображения на экране монитора ультразвукового сканера. Сигнал, формирующий это изображение, может быть передан и во внешние устройства. Для этого в каждом ультразвуковом приборе предусмотрены соответствующие разъемы стандартного вида.
