КТ

    Применение рентгеновской томографии для прогнозирования поведения почечных камней при дистанционном механическом воздействии.



    2 3 

    В.В. Поляков, А.И. Неймарк, П.Г. Коротких, Е.В. Петрухно

    Применение рентгеновской томографии для прогнозирования поведения почечных камней при дистанционном механическом воздействии.

    Ключевые слова: почечные камни, рентгеновская компьютерная томография, томографическая плот­ность, ПЛС-метод.

    Формирующиеся в организме человека пато­логические биоминеральные образования (камни) представляют собой органо-минеральные агрегаты с неоднородной структурой и сложным химическим составом. Физико-химические параметры этих кам­ней определяются значительным числом случайных факторов. В случае такого распространенного за­болевания, как мочекаменная болезнь, широко при­меняются методы дистанционной ударно-волновой литотрипсии, позволяющей дробить камни непосред­ственно в почках и мочевых путях без операционного воздействия. Эффективность лечения в значительной степени зависит от выбора оптимального режима внешнего механического воздействия на камни, а также от возможности прогнозирования результатов применения литотрипсии. Высокая сложность этой задачи определяется тем, что подвергаемые дробле­нию почечные камни могут быть исследованы только методами ультразвуковой или рентгеновской диа­гностики, их состав, структура и другие параметры остаются неизвестными [1]. В связи с этим исключи­тельно актуальной является задача установления связи между данными дооперационного рентгеновского исследования камней и результатами их разрушения при литотрипсическом воздействии.

    Наиболее информативным методом медицинской диагностики почечных камней является рентгеновская компьютерная томография, позволяющая определить расположение камня, его размеры и форму, а также зависимость рентгеновской томографической плот­ности от точек измерений вдоль камня [2]. В то же время задача установления корреляции между рент­геновскими томографическими данными, с одной стороны, и результатами воздействия на камень при литотрипсии - с другой, до сих пор не была решена вследствие ее высокой сложности. Выявление такой корреляции, являющейся основой для прогнозиро­вания последствий ударно-волновой литотрипсии, является целью настоящей работы.

    Камни мочевыводящей системы по химическому составу делятся на три основные группы: ураты, состоящие из солей мочевой кислоты; оксалаты, образованные солями щавелевой кислоты; и фосфа­ты, формируемые солями фосфорной кислоты, [3]. Структура и морфологические характеристики этих камней наглядно проявляются на их шлифах. Ти­пичные камни и их шлифы, полученные по мето­дике [4], приведены для иллюстрации на рисунке 1 (а - уратные камни, б - оксалатные, в - фосфат­ные). Как видно из рисунка 1, обычно можно вы­делить следующие элементы структуры камня: ядро, концентрические или радиальные слои, оболочку. В зависимости от особенностей структуры проис­ходит разрушение камня при внешнем механическом воздействии.

    В настоящей работе для исследования почечных камней использовались данные рентгеновской ком­пьютерной томографии, полученные с помощью то­мографа Сименс в больнице №1 Барнаула. Типичный вид получаемых рентгеновских данных представлен на рисунке 2.

    На рисунке 2 виден почечный камень, его располо­жение в почке, указан размер конкремента (1,2 мм), изображено схематическое расположение камня в сре­зе организма (отмечено стрелкой), а также выведено время проведения томографического исследования.

    Для решения поставленной в настоящей работе задачи наиболее информативным является изображе­ние, снятое с рентгеновского томографа (рис. 3). Здесь выделена секущая, задающая направление количе­ственных измерений рентгеновской томографической плотности. Отчетливо видна форма камня, его размер, а также проиллюстрировано то обстоятельство, что измерения проводятся наиболее информативным об­разом - вдоль наибольшей секущей.КТ

    Количественные характеристики рентгеновской томографии основываются на вычислении коэффи­циентов линейного ослабления рентгеновского из­лучения в различных проекциях при сканировании объекта. Значения коэффициентов зависят от исходной энергии излучения, а также от химического состава и физической плотности вещества. Получаемые данные обычно представляются в виде гистограмм, изобра­жающих зависимость томографической плотности I (в условных единицах по шкале Хаусфилда) на дан­ном отрезке выделенной секущей от расстояния этого отрезка до границы камня вдоль секущей. Типичный вид экспериментальной гистограммы приведен на рисунке 4, из которого следует, что эксперименталь­ная кривая имеет достаточно сложный вид, который определяется такими физико-химическими пара­метрами, как химический состав камня, его плотность, пористость, наличие микротрещин и т.д.КТ

    Рис. 1. Типичные камни мочевыводящей системы и их шлифы: а) уратный; б) оксалатный; в) фосфатные

    Рис. 2. Рентгеновская томограмма почечного камня Рис. 3. Томограмма почечного камня

    с указанным направлением измерения рентгеновской томографической плотности

    Рис. 4. Гистограмма зависимости томографической плотности почечного камня от относительного расстояния вдоль выделенной секущей

    [5]. Другими словами, получаемый вид распределения рентгенов­ской томографической плотности должен (в той или иной степени) характеризовать прочностные свойства камней и их поведение при внешнем механическом воздействии.КТ

    Для выявления связи между экспериментальны­ми распределениями томографической плотности и результатами разрушения при литотрипсии был привлечен математический аппарат анализа много­мерных данных. Этот подход позволяет выделять в больших массивах данных скрытые (латентные) переменные и анализировать связи, существующие в изучаемой системе. При анализе и обработке рентгеновских данных использовался метод про­екции на латентные структуры (ПЛС-метод) [6]. Это связано с тем, что «отклик» - результат лито-триптического воздействия - напрямую и известным образом зависит от независимых переменных, т. е. значений томографической плотности для группы образцов, что позволяет ожидать наиболее надежных результатов. Непосредственные расчеты проводились с помощью пакета программ Unscrambler компании CAMO, предоставленного правообладателем, классов аналогий (SIMCA) и метода главных компонент (PCA) и др. Указанное программное обеспечение ранее хорошо проявило себя для расшифровки спектров сложных химических соединений (хемометрики), для обработки компьютерных томограмм оно ранее не применялось.КТ

    В качестве исходных экспериментальных дан­ных использовались распределение рентгеновской

    томографической плотности в почечных камнях, измеренное при обследовании пациентов в больнице №1 Барнаула, и результаты дистанционной ударно-волновой литотрипсии этих же пациентов, получен­ные в Алтайской краевой клинической больнице.

    Рис. 5. Гистограмма распределения томографической плотности, использовавшаяся при расчете по методу ПЛС

    Данные, вводимые в программу Unscrambler, тре­буют соответствующей предварительной подготовки, а именно: эти данные должны быть представлены в виде двух матриц X и Y Матрица Х имеет размер­ность n x p, где n - число образцов (в нашем случае равное числу исследовавшихся камней); p - число переменных (ими являются значения томографиче­ской плотности). Матрица Y строилась следующим образом: в качестве «откликов» использовались результаты, полученные при литотрипсии, а также размеры камней, снятые с рентгеновских томограмм. Разрушенному камню сопоставлялось значение 1, а неразрушенному - 0

    2 3