Praktyczne zastosowanie
7.1.6 Kliniczne zastosowanie wirtualnych modeli segmentu ruchowegoruchowego
Trójwymiarowe wizualizacje segmentu ruchowego znajdują swoje zastosowanie klinicz-ne w diagnostyce przyczyn zespołów bólowych kręgosłupa lędźwiowo-krzyżowego [85].
Według danych literaturowych [68] 40% zespołów bólowych kręgosłupa lędźwiowo-krzyżowego ma pochodzenie dyskogenne, wynikające z patologii krążka międzykręgo-wego, a 80% populacji miało lub będzie w przyszłości miało ból krzyża [5, 177, 212].
Polepszający się dostęp do badań metodą Rezonansu Magnetycznego, pozwala-jących na obrazowanie struktur krążka międzykręgowego i stopnia jego zwyrodniena [117, 142] oraz ich nieinwazyjność sprawiają, iż klinicyści coraz częściej wykorzystują je do oceny zespołów bólowych kręgosłupa. Do analizy zmian zwyrodnieniowych, wyni-kających z dehydratacji krążka międzykręgowego, wykorzystywana jest skala
Pfirman-Rysunek 7-7: Trójwymiarowy model geometryczny segmentu ruchowego przenoszący peł-ną informację o rozmiarach i kształcie obiektów. Wykonanie dodatkowych sekwencji T2-zależnych pozwala lepiej zobrazować jądro miażdżyste i utworzyć jego model trójwymiarowy, umożliwiając dokładną ocenę progresji patologii lub postępu jej leczenia.
na [159, 188]. W ocenie zmian dyskotycznych zastosowanie ma również skala Modica [141] określająca występowanie i postęp zmian degeneracyjnych w sąsiadujących z krążkiem trzonach kręgowych. Na podstawie badań metodą Rezonansu Magnetyczne-go ocenić można również przemieszczenie jądra miażdżysteMagnetyczne-go, które podzielić można na protruzję krążka oraz przepuklinę krążka, mogącą ostatecznie doprowadzić do se-kwestracji, czyli występowania wolnych fragmentów krążka w kanale kręgowym [117].
Zastosowanie modeli wirtualnych
Przedstawiona w pracy metoda tworzenia modeli trójwymiarowych z badań meto-dą Rezonansu Magnetycznego pozwala na wprowadzenie nowych standardów oceny zwyrodnień segmentu ruchowego kręgosłupa. Trójwymiarowy model geometryczny przenosi pełną informację o rozmiarach i kształcie obiektów w przeciwieństwie do po-wszechnie używanych dwuwymiarowych obrazów. Wykonanie dodatkowych sekwencji badań T2-zależnych pozwala lepiej zobrazować jądro miażdżyste, będące częścią krąż-ka międzykręgowego, i utworzyć jego model trójwymiarowy. Pozwala to na określe-nie wzajemnych relacji pierścienia włóknistego i jądra miażdżystego, ich rozmiarów, objętości oraz przemieszczenia, umożliwiając dokładną ocenę progresji patologii lub postępu jej leczenia [85](Rys. 7-6 i 7-7).
Tak przygotowane trójwymiarowe modele segmentu ruchowego kręgosłupa mogą więc znaleźć kliniczne zastosowanie w ocenie zmian zwyrodnieniowych oraz progresji
lub postępu leczenia patologii poprzez:
∙ określanie objętości jądra miażdżystego oraz pierścienia włóknistego u pacjentów z zespołem bólowym kręgosłupa lędźwiowo-krzyżowego,
∙ określanie udziału objętościowego jądra miażdżystego w całkowitej objętości krążka międzykręgowego,
∙ określanie objętości krążka międzykręgowego w stosunku do objętości sąsiadu-jących trzonów kręgów,
∙ określanie wysokości krążka międzykręgowego w stosunku do wysokości sąsia-dujących trzonów kręgów,
∙ określanie położenia oraz przemieszczenia jądra miażdżystego w obrębie krążka międzykręgowego.
7.2 Specjalistyczne metody pomiarowe w przygo-towaniu przedoperacyjnym
7.2.1 Rozszerzona wizualizacja osiowa kręgosłupa
Procedura wykreślania Projekcji Osiowej Kręgosłupa (Rozdz. 5.2.1) z technicznego punktu widzenia opiera się na rzutowaniu z góry położenia geometrycznych środ-ków trzonów kręgów na płaszczyznę z wykorzystaniem radiogramów wykonanych w kierunkach czołowym i strzałkowym oraz dokładnej analizie krzywizny kręgosłupa na podstawie otrzymanych rezultatów [84]. Procedura ta wykorzystywana jest w codzien-nej praktyce kliniczcodzien-nej jako część przygotowania przedoperacyjnego, a od jej wyników zależeć może przebieg operacji oraz wielkość uzyskanej korekcji.
W celu ograniczenia ilości inwazyjnych badań wykonywanych pacjentom w meto-dzie pomiarowej wykorzystano opracowany algorytm Cyfrowej Rekonstrukcji Radio-gramu. Uzyskiwana jakość rekonstrukcji pozwala na określenie geometrii trójwymia-rowej kręgosłupa, wykreślenie przy jej pomocy Projekcji Osiowej Kręgosłupa oraz wykorzystywanie Cyfrowo Zrekonstruowanych Radiogramów do przedoperacyjnego
Rysunek 7-8: Przedoperacyjny Cyfrowo Zrekonstruowany Radiogram z wyznaczonymi środ-kami trzonów kręgów, pozwalający na wykonanie Prezentacji Osiowej Kręgosłupa, ograni-czając dawkę promieniowania przyjmowaną przez pacjenta wynikającą w przypadku stan-dardowej procedury z potrzeby wykonania normalnych Radiogramów Komputerowych.
określania położenia środków trzonów kręgów (Rys. 7-8) i pooperacyjnej wizualizacji uzyskanej korekcji (Rys. 7-9).
Rekonstrukcja Cyfrowego Radiogramu
Działanie algorytmu Cyfrowej Rekonstrukcji Radiogramu (Rozdz. 5.2.1) przetesto-wane zostało na przykładzie badania Tomografii Komputerowej przedstawiającego skoliozę idiopatyczną. Dane pochodziły z Ortopedyczno-Rehabilitacyjnego Szpitala Klinicznego im. Wiktora Degi Uniwersytetu Medycznego im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu i wytworzone były w celu oceny przedoperacyjnej skoliozy idiopatycznej oraz wykonania pomiarów niezbędnych do prawidłowego wprowadzenia implantów.
Banie przeprowadzone było na tomografie Siemens Sensation 40 z napięciem szczyto-wym (ang. peak kiloVoltage) na poziomie 100 kVp, prądem (ang. x-ray tube current ) na poziomie 224 mA i czasem ekspozycji (ang. exposure time) 1000 ms. Zestaw testo-wy składał się z 478 obrazów (ang. slices) o rozdzielczości (ang. resolution) 512 × 512 pikseli, grubości warstwy (ang. slice thickness) 0.75 mm i odległości między warstwami (ang. slice distance) 1 mm (Rys. 7-10).
Rezultatem działania przedstawionego algorytmu jest Cyfrowo Zrekonstruowany Radiogram przedstawiający skoliozę idiopatyczną utworzony na podstawie danych z
Rysunek 7-9: Wykorzystanie Prezentacji Osiowej Kręgosłupa do pooperacyjnej wizualizacji uzyskanej korekcji kręgosłupa. Lewa strona: krzywizna kręgosłupa przed operacją zapre-zentowana przy pomocy Radiogramu oraz Prezentacji Osiowej Kręgosłupa. Prawa strona:
krzywizna kręgosłupa po operacji zaprezentowana przy pomocy Radiogramu oraz Prezen-tacji Osiowej Kręgosłupa.
Rysunek 7-10: Badanie Tomografii Komputerowej przeprowadzone na tomografie Siemens Sensation 40 (napięcie szczytowe 100 kVp, prąd 224 mA, czas ekspozycji 1000 ms, rozdziel-czość 512 × 512 pikseli, grubość warstwy 0.75 mm, odległość między warstwami 1 mm.
Rysunek 7-11: Rezultat działania przedstawionego algorytmu Cyfrowo Rekonstruowanego Radiogramu przedstawiający skoliozę idiopatyczną (utworzony na podstawie danych z To-mografii Komputerowej).
Tomografii Komputerowej (Rys.7-11).
Dalszy rozwój metody należałoby prowadzić w kierunku wizualizacji danych uzy-skanych metodą Rezonansu Magnetycznego (ang. Magnetic Resonance), dla których przeprowadzono wstępne testy na bazie obrazów przedstawiających reumatoidalne
Rysunek 7-12: Lewa strona: dane uzyskane metodą Rezonansu Magnetycznego przedstawia-jące reumatoidalne zapalenie stawów z występującymi nadżerkami w drugiej kości śródręcza.
Badanie wykonano w Samodzielnym Publicznym Zakładzie Opieki Zdrowotnej Ministerstwa Spraw Wewnętrznych w Poznaniu im. prof. Ludwika Bierkowskiego. Prawa strona: Obraz Komputerowego Radiogramu prezentujący ten sam przypadek.
zapalenie stawów z występującymi nadżerkami w drugiej kości śródręcza (Rys. 7-12).
Badanie służyło planowaniu leczenia farmakologicznego i wykonane było w Samodziel-nym PubliczSamodziel-nym Zakładzie Opieki Zdrowotnej Ministerstwa Spraw Wewnętrznych w Poznaniu im. prof. Ludwika Bierkowskiego. Dane pochodziły z maszyny Siemens Avanto MR i składały się z zestawu 64 obrazów (ang. slices) o rozdzielczości (ang.
resolution) 256×256 pikseli i grubości warstwy (ang. slice thickness) 0.8 mm. Badanie wykonane było w czołowej (ang. coronal ) sekwencji 𝑇 2 z nasyceniem tłuszczu (ang.
fat saturation), przy czasie echa (ang. echo time) 𝑇𝑒 = 4.82 ms i czasie powtórzenia (ang. repetition time) 𝑇𝑟 = 30 ms.
Obraz Komputerowego Radiogramu (Rys. 7-12) przedstawia ten sam przypadek w rozdzielczości (ang. resolution) 2964 × 2364 pikseli.
W celu uzyskania najlepszych rezultatów, w przypadku danych uzyskanych metodą Rezonansu Magnetycznego, algorytm został nieznacznie zmodyfikowany. Wprowadzo-no możliwość ręcznego dodawania predefiniowanych przedziałów granicznych wartości intensywności pikseli, pozwalając na dowolne oddzielenie wizualizowanej tkanki od tła. W rezultacie uzyskano ręcznie sterowany Cyfrowo Zrekonstruowany Radiogram z danych uzyskanych metodą Rezonansu Magnetycznego (Rys. 7-13).
Rysunek 7-13: Lewa strona: Cyfrowo Zrekonstruowany Radiogram badań metodą Rezonan-su Magnetycznego przedstawiający reumatoidalne zapalenie stawów. Prawa strona: Obraz oryginalnego Komputerowego Radiogramu prezentujący ten sam przypadek.
7.2.2 Dostępna trójwymiarowa wizualizacja danych medycz-nych
Głównym zadaniem zaprezentowanej metody dostępnej trójwymiarowej wizualizacji danych medycznych jest wspomaganie przygotowania przedoperacyjnego specjalistów.
Dzięki darmowemu oprogramowaniu do czytania plików PDF - Adobe Reader i utwo-rzonemu plikowi PDF 3D możliwe jest wykonanie zestawu pomiarów trójwymiarowej geometrii potrzebnych do zaplanowania operacji. W celu przedstawienia możliwości opracowanej metody na przypadku testowym wykonano pomiary kręgosłupa wyko-rzystywane w trakcie operacji skoliozy (Tab. 7.1). Zmierzone zostały kąty nachyle-nia nasad kręgów, ich szerokość oraz odległości pomiędzy szczytem kręgów i linią centralną (Rys. 7-14). Wyznaczone parametry są najważniejszymi wartościami wyko-rzystywanymi w procesie wprowadzania śrub transpedikularnych do trzonów kręgów.
Od dokładności pomiarów, ze względu na sposób przeprowadzania operacji, w trakcie której chirurg przez nasady kręgów musi wprowadzić śruby do środka trzonów krę-gów unikając uszkodzenia rdzenia kręgowego, zależy powodzenie operacji i zdrowie pacjenta.
Po operacji, w celu przedstawienia uzyskanej korekcji, wykonano dodatkową wi-zualizację trójwymiarową zgodnie z opracowaną metodą (Rys. 7-15).
Tabela 7.1: Pomiary kręgosłupa wykorzystywane w trakcie operacji skoliozy. Zmierzone zo-stały kąty nachylenia nasad kręgów, ich szerokość oraz odległości pomiędzy szczytem kręgów i linią centralną. Wyznaczone parametry są najważniejszymi pomiarami wykorzystywanymi w procesie wprowadzania śrub transpedikularnych do trzonów kręgów.
Szerokość nasad [mm] Kąt nachylenia nasad [∘] Kręg Lewa (L) Prawa(P) Lewa(𝛼) Prawa(𝛽)
C 7 5.97 6.59 25.50 24.74
Th 1 4.14 4.96 14.25 16.26
Th 2 1.57 4.39 16.98 4.42
Th 3 1.90 4.16 15.70 4.45
Th 4 1.20 3.99 9.24 2.67
Th 5 2.95 4.54 9.46 4.22
Th 6 3.70 4.11 4.92 4.65
Th 7 3.88 4.84 6.29 4.86
Th 8 4.38 2.95 5.79 4.07
Th 9 3.78 4.82 2.41 11.20
Th 10 3.80 3.84 3.54 5.93
Th 11 5.68 6.44 1.51 1.28
Th 12 6.89 7.50 1.41 1.31
L 1 4.03 4.32 4.51 3.78
Rysunek 7-14: Pomiary geometri kręgosłupa powszechnie wykorzystywane w trakcie opera-cji skoliozy. Zmierzone zostały kąty nachylenia nasad kręgów, ich szerokość oraz odległości pomiędzy szczytem kręgów i linią centralną. Wyznaczone parametry są najważniejszymi po-miarami wykorzystywanymi w procesie wprowadzania śrub transpedikularnych do trzonów kręgów
Rysunek 7-15: Porównanie przedoperacyjnego skrzywienia kręgosłupa i korekcji uzyskanej dzięki operacji. Wizualizacja utworzona została przy pomocy opracowanej metody dostępnej trójwymiarowej wizualizacji danych medycznych wykorzystującej format PDF.