Software Development / Inżynieria / Embedded

Nowoczesne technologie radiochirurgiczne w walce z rakiem

8 kwietnia, 2022 0
Podziel się:

Nowotwory to druga najważniejsza przyczyna zgonów w Polsce. Budzą lęk, ponieważ są nie tylko trudne do leczenia, ale także do wczesnego wykrycia. Nawet w pełni zdiagnozowane stanowią zazwyczaj niemały problem do wyeliminowania z powodu swojego umiejscowienia wśród zdrowych tkanek. Szczęśliwie, za sprawą rozwoju nauki, mamy coraz więcej narzędzi, aby stanąć do tego nierównego boju.

W artykule opowiem o wsparciu technologii w walce o zdrowie. W swoich projektach zajmowałem się m. in. tworzeniem oprogramowania, które pozwala utworzyć obrazy przekrojowe na podstawie danych z klasycznych aparatów RTG oraz rekonstruować je na modele 3D. Oprócz mnie, blisko 900 innych ekspertów Sii wspiera sektor medyczny swoją przekrojową wiedzą dotyczącą zróżnicowanych technologii, systemów wbudowanych, a na rozwiązaniach chmurowych kończąc.

Wyzwania w radiochirurgii

Największe wyzywanie radiochirurgicznego unieszkodliwiania nowotworów to: jak zrobić wszystko dobrze – uderzyć szybko, z odpowiednią energią i…. trafić. A przy okazji nie zabić zdrowych tkanek.

Aby to zrealizować należy:

  • Zlokalizować nowotwór wśród innych tkanek.
  • Wykonać plan przeprowadzenia strzału: wybór najbardziej odpowiedniego promieniowania, energii oraz trasy sformowanej wiązki.
  • Precyzyjnie wycelować wiązkę promieniowania w nowotwór.
  • Dokonać naświetlenia dokładnie według opracowanej wcześniej procedury.

Realizacja wszystkich wymienionych etapów nie byłaby możliwa bez wsparcia technik informatycznych działających na styku fizyki, biologii oraz inżynierii.

Radioterapia w pigułce

Rodzaje badań obrazowych

Od 1977 roku dysponujemy wspaniałą możliwością zajrzenia do wnętrza organizmu dzięki tomografii (grec. tomo - wnętrze, grafia - opis).Różne tomografy wykorzystują różne zjawiska fizyczne:

  • pochłanianie promieniowania rentgenowskiego CT,
  • rezonans jąder atomowych MR,
  • promieniowanie jądrowe PET,
  • mechaniczne fale ultradźwiękowych USG.
Obrazy tomograficzne powstałe z wykorzystaniem różnych zjawisk fizycznych

Ryc. 1 Obrazy tomograficzne powstałe z wykorzystaniem różnych zjawisk fizycznych

Cechą wspólną wszystkich tomografów jest to, że tworzą obrazy przekrojowe organizmu z wykorzystaniem transformaty Radona, w której elementy wielkiej macierzy trzeba przeliczyć i pokazać jako piksele na dwuwymiarowym ekranie.

Trójwymiarowy model czaszki zrekonstruowany z przekrojowych obrazów tomograficznych

Ryc. 2 Trójwymiarowy model czaszki zrekonstruowany z przekrojowych obrazów tomograficznych

W procesie radioterapeutycznym potrzebne są prawdziwe modele 3D. Wykorzystując algorytmy rekonstrukcyjne, można odtworzyć rzeczywisty kształt narządów oraz ich wzajemne położenie.

Cele radioterapii

Celem zabiegu radioterapeutycznego jest skupienie energii wiązki promieniowania na tkance nowotworowej. W praktyce odbywa się to poprzez obracanie ruchomego źródła promieniowania wokół pacjenta w taki sposób, aby wiązka stale wycelowane była w nowotwór.

Uwzględnić trzeba jednak zjawiska falowe – dyfrakcje i interferencje – na granicy tkanek o różnych właściwościach oraz różną wrażliwość zdrowych tkanek na działanie promieniowania.

Wyniki radioterapii

Wynikiem badania tomograficznego jest seria przekrojowych obrazów, na podstawie których wykonuje się trójwymiarową rekonstrukcję narządów wewnętrznych, a następnie plan radioterapii określający, w które miejsce i z jakiego kierunku będzie wycelowana wiązka promieniowania o dokładnie wyznaczonej mocy.

Badanie tomograficzne pacjenta z przymocowaną klatką pozycjonującą

Ryc. 3 Badanie tomograficzne pacjenta z przymocowaną klatką pozycjonującą

Najczęściej wykorzystuje się specjalnie przytwierdzone do ciała pacjenta znaczniki w postaci np. przytwierdzoną pod znieczuleniem miejscowym do kości czaszki klatkę, której konstrukcja, służy za układ odniesienia.

Rys 4 Odwzorowanie punktow odniesienia klatki na obrazie tomograficznym - Nowoczesne technologie radiochirurgiczne w walce z rakiem

Ryc. 4 Odwzorowanie punktów odniesienia klatki na obrazie tomograficznym

Wbudowane w klatkę elementy są dobrze odwzorowane na obrazach tomograficznych i stanowią punkty referencyjne, pozwalające na precyzyjne określenie położenia poszczególnych tkanek. Punkty odniesienia oraz lasery pozwalają na precyzyjne wycelowanie wiązki promieniowania z akceleratora.

Wysokoenergetyczna wiązka promieniowania, obracając się wokół pacjenta, skupia się tylko na niszczonych komórkach nowotworowych.

Wsparcie technologiczne radiochirurgii

Jedynym z projektów, nad którymi pracowałem, była adaptacja danych z amerykańskiego tomografu General Electric Sytec SR do niemieckiego systemu Siemens ONCOR Avant-Garde w Szpitalu Wojewódzkim w Lublinie.

Przeszkodę stanowiły niekompatybilne protokoły medyczne oraz niezgodności w implementacji standardu obrazów medycznych DICOM. Oba systemy w pełni obsługiwały tylko dane określone przez standard jako obowiązkowe. Nie akceptowały natomiast niezbędnych przy radioterapii informacji dodatkowych, takich jak dane związane z dokładnymi parametrami fizycznymi użytej w badaniu tomograficznym wiązki, czasów ekspozycji, orientacji przestrzennej.

Prace prowadzone przy wsparciu prof. Pawła Mikołajczaka z Wydziału Fizyki Uniwersytetu im. Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie umożliwiły przystosowanie danych obrazowych z tomografu General Electric w taki sposób, aby były w pełni akceptowane przez system planowania Siemens.

Wyzwania nowoczesnej radiochirurgiii

Fakt, że coś można, nie oznacza jeszcze, że będzie to możliwe do wykorzystania w codziennej praktyce. Wszystko musi działać niezawodnie w czasie rzeczywistym i automatycznie, aby nie angażować personelu medycznego.

Pomiędzy aparaty medyczne, połączone nowopowstałą siecią światłowodową, wstawiono urządzenia pośredniczące, które w czasie rzeczywistym dokonywały niezbędnych zmian w trawestowanych danych medycznych. Pozwalały także uniknąć konieczności zakupu dodatkowych licencji na oprogramowanie komunikacyjne. System planowania kontaktował się tylko z naszym jednym urządzeniem, które mogło przyjmować dane z dowolnej liczby tomografów.

Przeprowadzenie operacji

Operacje radiochirurgiczne są możliwe do przeprowadzenia dzięki tomografii rentgenowskiej, która dostarcza informacji o współczynnikach pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego oraz położeniu poszczególnych tkanek.

Nie jest to obraz doskonały – bardzo dobrze obrazuje np. kości, ale ma dużo mniejszą dokładność w przypadku tkanek miękkich, do których należą także nowotwory. W tym przypadku najlepszy jest obraz tworzony przez tomografy z wykorzystaniem zjawiska rezonansu jądrowego, który z kolei bardzo źle odwzorowuje kości.

Optymalna metoda – połączenie obrazów

Idealnym rozwiązaniem było złożenie obrazów narządów tego samego pacjenta, powstałych w wyniku badania CT i MR.

Pomimo podobieństwa samych obrazów nie jest to zadnie proste:

  1. Akwizycja odbywa się za pomocą całkowicie innych urządzeń w dużym odstępie czasowym.
  2. Narządy widoczne w CT są inaczej obrazowane w MR.
  3. Radiochirurgia wymaga milimetrowej dokładności, więc nie ma żadnej tolerancji na błędy wynikające z przesunięcia obrazów względem siebie.

Rozwiązania technologiczne w służbie zdrowia

Podejmując się zadania złożenia obrazów tomografii rentgenowskiej i rezonansowej, sprawdziliśmy szereg różnorodnych algorytmów, badając ich przydatność w radiochirurgii. Musieliśmy odrzucić wiele doskonałych metod tylko dlatego, że, pomimo świetnych efektów, ich powtarzalność była niewystarczająca.

Dopasowanie obrazów tomograficznych PET i CT

Ryc. 5 Dopasowanie obrazów tomograficznych PET i CT

Ostatecznie, do praktycznej realizacji wybraliśmy dwie metody detekcji (segmentacji) interesujących radioterapeutów narządów: morfologii gradientowej oraz techniki watershed.

Dopasowanie obrazów CT do MR jest przeprowadzane z wykorzystaniem informacji wzajemnej (mutual information) jako wskaźnika jakości przeprowadzone połączenia.

8 - Nowoczesne technologie radiochirurgiczne w walce z rakiem

Informacja wzajemna to stosunkowo proste obliczenie wspólnej entropii dwóch zestawów danych z elementami rachunku prawdopodobieństwa.

Wynik dopasowania obrazów tomograficznych CT i MR.

Ryc. 6 Wynik dopasowania obrazów tomograficznych CT i MR

Podstawiając jako zestawy danych wartości pikseli z obrazów CT i MR, możemy określić, jak bardzo są do siebie podobne (a dokładniej jak wiele informacji z CT znajduje się w MR), przy czym nie ma znaczenia sens fizyczny porównywanych pikseli. Pozwala to na skuteczne wyznaczenie najlepszego dopasowania obrazów powstałych w zupełnie inny sposób.

W naszych działania skupiliśmy się na deterministycznych metodach, których efektywność można precyzyjnie ocenić na podstawie obliczeń. Uznaliśmy, że w tym konkretnym zastosowaniu ryzyko jest zbyt duże, aby eksperymentować z metodami z pogranicza sztucznej inteligencji.

Automatyczne wnioskowanie jako przyszłość medycyny

Nie ulega jednak wątpliwości, że automatyczne wnioskowanie w medycynie to nieunikniona przyszłość. Aby uniknąć rewolucyjnych zmian i wynikających stąd niepożądanych zjawisk, skupiamy się aktualnie na zastąpieniu segmentacji watershed przez algorytmy genetyczne detekcji tkanek z zachowaniem deterministycznej metody oceny wyników mutual information. Chronią nas one przed ewolucją w złym kierunku w wyniku mutacji.

Jednocześnie, pracujemy nad wykorzystaniem danych obrazowych innego typu – PET i USG – oraz obserwujemy rozwój skanerów CT i MR, aby lepiej wykorzystać ich nowe możliwości: większą liczbę wykonywanych jednocześnie skanów oraz ich szybsza akwizycję.

Pozwala to na wykorzystanie naszych algorytmów także do diagnostyki dynamicznie funkcjonujących narządów, np. serca w czasie rzeczywistym.

***

W Sii, poza działaniami rozwojowymi, dużo uwagi poświęcamy na prace operacyjne, aby zwiększyć niezawodność, bezpieczeństwo i łatwość obsługi. Podłączamy tomografy innych firm takich jak: Philips, Siemens, Hitachi, Toshiba, Shimadzu. Wszystko oczywiście zgodnie ze standardami medycznymi, które pozwalają na ich wykorzystanie w radioterapii nowotworów.   

Rozwój technologii pozwala na zwiększenie skuteczności metod walki z rakiem znanych od lat. Inżynierowie Sii swoją ekspercką wiedzą wspierają branżę medyczną – realizują projekty dla wielu klientów z branży opieki zdrowotnej, takich jak QIAGEN, Roche czy BAUSCH Health. Opracowując obecne produkty oraz rozpoczynając współpracę z kolejnymi firmami z branży medycznej, dostrzegamy istotność tworzenia sprzętu oraz oprogramowania według standardów medycznych takich jak ISO 13485 czy IEC 62304. Zapewnienie bezpieczeństwa osobom korzystającym z opracowanych przez nas rozwiązań jest najważniejsze.

Marcin Laszewski
Autor: Marcin Laszewski
Inżynier oprogramowania. Łączy swoje zainteresowania – fizykę i biologię – z programowaniem systemowym medycznych urządzeń diagnostycznych.

    Imię i nazwisko (wymagane)

    Adres email (wymagane)

    Temat

    Treść wiadomości

    Zostaw komentarz