Как квази-КТ помогает спланировать высокоточную лучевую терапию — Naked Science
17 минут
Philips

Как квази-КТ помогает спланировать высокоточную лучевую терапию

5.1

За последние 100 лет медицинская визуализация совершила рывок. Отныне можно точнее планировать лучевую терапию при опухолях. Как в будущем врачи смогут рассчитывать оптимальную дозу облучения и что такое квази-КТ, рассказал научный сотрудник лаборатории Philips Research Lab Rus Жоэль Штадельманн.

Как квази-КТ помогает спланировать высокоточную лучевую терапию / ©Пресс-служба Philips Research

— Для начала расскажите, как работает лучевая терапия при лечении онкологических заболеваний и почему часто говорят о ее вреде для здоровья пациентов?

— Онкологические заболевания занимают второе место среди причин смерти населения, уступая первенство лишь сердечно-сосудистым патологиям. К настоящему времени разработано множество методов лечения рака, один из наиболее эффективных — лучевая терапия.

Этот метод заключается в воздействии на опухоль ионизирующим излучением — электромагнитными волнами рентгеновского или гамма-диапазона — либо потоком элементарных частиц (альфа- и бета-частицы, нейтроны, протоны). К сожалению, такое излучение уничтожает не только раковую опухоль, но и повреждает окружающие здоровые ткани. Такое побочное воздействие наносит вред организму и вызывает множество негативных последствий.

— И как можно снизить воздействие на здоровые ткани?

— Одним из способов снижения побочного эффекта от лучевой терапии является точное планирование ее сеанса и «фокусировка» излучения, направляемого на пораженную область. Цель этой процедуры — максимальная концентрация излучения на пораженных клетках и его минимизация воздействия на здоровые ткани. Для этого врачу необходимо рассчитать два важных параметра.

Во-первых, требуется рассчитать минимальную дозу излучения, необходимую для эффективного уничтожения раковых клеток. Основные механизмы воздействия ионизирующего излучения на вещество (в том числе на биологические ткани) заключаются во взаимодействии с электронами, которые принадлежат атомам этого самого вещества.

Поэтому для оценки требуемой дозы радиации необходимо знать электронную плотность вещества, то есть количество электронов в единице объема. Эта информация может быть получена с помощью компьютерной томографии (КТ), в основе которой лежит поглощение рентгеновского излучения электронами.

Во-вторых, необходимо с миллиметровой точностью определить местонахождение опухоли и привязать это к положению ключевых анатомических структур. КТ-снимки, полученные на первом этапе, не позволяют сделать этого, поскольку не обладают достаточным контрастом.

А зачастую различные ткани мало различаются между собой. Поэтому для их локализации используется метод магнитно-резонансной томографии (МРТ). Это исследование позволяет визуализировать даже незначительные различия биологических свойств расположенных рядом тканей, провести между ними границу и выделить (сегментировать) опухоль.

Отметим, что в основе МРТ лежит явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на ядрах водорода, и этот метод не предоставляет необходимой информации об электронной плотности. Таким образом, КТ все равно остается необходимым этапом диагностики.

Очевидно, что этот подход усложняет организацию процесса лечения. В чем еще состоят его сложности?

— Этот подход к планированию лучевой терапии, действительно, имеет несколько недостатков. Так, при КТ-исследовании пациент получает дополнительную дозу рентгеновского облучения. Проведение двух исследований (МРТ и КТ) значительно повышает стоимость подготовки к лучевой терапии.

К тому же различия в положении тела пациентов при МРТ и КТ-исследованиях или различия в состоянии внутренних органов (например, МРТ-исследование было выполнено до приема пищи, а КТ — после) во многом усложняют процесс сопоставления результатов диагностики и снижают точность планирования.

Существует ли решение проблемы?

— Чтобы преодолеть это затруднение, была предложена следующая идея. По сути, и МРТ, и КТ характеризуют свойства одних и тех же биологических тканей человека, но на разном уровне: МРТ — на уровне ядер водорода молекул воды, а КТ — на уровне электронов более тяжелых атомов, составляющих эту ткань. Можно ли, зная только одну характеристику, рассчитать другую? Да, это возможно!

Химия и физика твердого тела исследуют взаимодействия ядер и электронов атомов уже много лет. Поэтому, казалось бы, такой расчет должен быть легковыполнимым. Однако МРТ и КТ работают на разных химических элементах, поэтому точный квантово-механический расчет КТ снимков по МРТ-изображениям пока не представляется возможным.

Поэтому необходимо искать другие, нестрогие методы получения КТ-изображений. Полученные такими нестрогими способами изображения называются квази-КТ и могут быть использованы для составления плана лучевой терапии.

Расскажите подробнее об этом подходе. Как можно создавать одно изображение из другого?

— Раньше для решения задачи перевода МРТ в квази-КТ использовались статистические методы. Они заключаются в предположении, что если МРТ изображения одной и той же части тела двух различных пациентов схожи, то схожими должны быть и соответствующие КТ-изображения. Поэтому, набрав большую базу знаний из парных МРТ и КТ-снимков, можно по одиночному МРТ-снимку делать предположения о том, как будет выглядеть соответствующий КТ-снимок.

Искусственный интеллект позволяет значительно улучшить качество квази-КТ изображений по сравнению со статистическим подходом. В научно-исследовательской лаборатории Philips Research в Сколково активно развиваются два подхода для решения этой задачи.

В первом подходе, который называется «парный» перевод, используются снимки пациентов, прошедших оба исследования — и МРТ, и КТ. Эти снимки тщательно выравниваются между собой, а затем нейронная сеть учится воссоздавать квази-КТ-снимок, увидев лишь МРТ-изображение.

При этом в качестве эталона используется настоящий КТ-снимок той же самой области того же самого пациента. Целью такого обучения является создание квази-КТ-изображения, максимально похожего на реальный КТ-снимок. Когда квази-КТ достигает нужного качества, процесс обучения останавливается — и нейронная сеть может воссоздавать КТ-снимки.

Исходные МРТ-КТ-изображения и квази-КТ для сравнения / ©Pseudo-CT image generation from mDixon MRI images using fully convolutional neural networks, J. V. Stadelmann; H. Schulz; U. A. van der Heide; S. Renisch
Квази-КТ-изображение / ©Pseudo-CT image generation from mDixon MRI images using fully convolutional neural networks, J. V. Stadelmann; H. Schulz; U. A. van der Heide; S. Renisch

Подход кажется простым. Почему им не пользуются во всех больницах?

— Такой подход имеет свои недостатки. Во-первых, для обучения любой нейронной сети требуется множество изображений, а доступных и качественных «парных» изображений МРТ и КТ достаточно мало. Во-вторых, обученная нейронная сеть хорошо работает только для той части тела, которую она видела в процессе обучения.

Для использования на другой части тела потребуется переподготовка сети. В-третьих, обученная сеть хорошо работает только для того типа МРТ-изображений, на которых она училась. Для другого типа изображений, опять же, потребуется переобучение.

А в чем заключается второй подход?

— Во втором разрабатываемом подходе, который называется «непарным», используются МРТ и КТ-изображения, полученные от разных пациентов. Это значит, что для обучения можно использовать не только парные МРТ и КТ-изображения пациентов, но любые МРТ или КТ-изображения выбранной области.

Поэтому объем доступных данных гораздо больше, а значит, тренировать такие нейронные сети проще. Эта нейронная сеть, которая называется генеративно-состязательной сетью (подробнее о таких сетях было рассказано здесь), состоит из двух блоков. Первый блок предназначен для перевода МРТ-изображений в КТ, а второй — переводит КТ-изображения в МРТ.

В процессе обучения используется следующий трюк: на вход сети подается МРТ-изображение, которое переводится первым блоком в квази-КТ-изображение. Затем это изображение поступает на вход второго блока, который переводит квази-КТ-изображение в квази-МРТ.

В результате такого процесса должно получиться квази-МРТ-изображение, максимально похожее на исходное, настоящее МРТ-изображение. Также процесс обучения сети выполняется и с другой стороны: настоящее КТ-изображение переводится в квази-МРТ, которое переводится в квази-КТ.

Полученное квази-КТ-изображение должно максимально совпадать с исходным КТ-изображением. Этот второй цикл обучения КТ –> квази-МРТ –> квази-КТ позволяет узнать сети, как же должны выглядеть КТ-снимки.

Без этого цикла сеть будет переводить МРТ-изображение в психоделические картинки, абсолютно далекие от нужных КТ-снимков. В результате многократного выполнения каждого из этих циклов оба блока нейронной сети выучиваются переводить МРТ в квази-КТ и КТ в квази-МРТ соответственно.

Какие, на ваш взгляд, перспективы внедрения такого метода работы с медицинскими изображениями в ближайшем будущем?

— Уже сейчас парный подход, разрабатываемый в лабораториях компании Philips, позволяет рассчитать квази-КТ настолько точно, что существующие методы не позволяют отличить его от настоящего. К сожалению, пока «непарный» подход не позволит рассчитать квази-КТ-изображения для таких анатомически сложных структур, как нос.

Но для более регулярных органов, таких как головной мозг, этот метод демонстрирует неплохие результаты, достаточные для клинического использования. Таким образом, в будущем методы можно будет распространять и на другие зоны тела.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Philips
10 статей
Компания была основана в 1891 году и за свою историю несколько раз меняла приоритетное направление деятельности: изначально выпускала электрические лампочки, затем переключилась на бытовую электронику, после 2000-х годов начала специализироваться на медицинском диагностическом оборудовании.
Вчера, 20:50
5 минут
Василий Парфенов

В московском аэропорту Жуковский произошло ЧП: за пределы взлетно-посадочной полосы выкатился новейший отечественный авиалайнер МС-21-300. Он проходил испытания, во время которых имитировали прерванный полет из-за отказа одного двигателя.

Сегодня, 07:45
7 минут
Василий Парфенов

Группа дизайнеров и инженеров из ряда именитых компаний под руководством не менее прославленного менеджера и энтузиаста из IBM создала передвижной дом для эскапистов XXI века. Конструкция под названием Jupe способна обеспечить уют и комфорт практически в любой точке мира (кроме холодного климата), а устанавливается за пару часов.

Вчера, 15:55
5 минут
Ольга Иванова

Американские ученые выявили следы растений, не относящихся к табаку, в лекарственных сосудах древних майя.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Россия подняла в небо группу из шести военно-транспортных самолетов Ан-124-100. Такие тренировки позволяют отработать переброску на большие расстояния личного состава воинских подразделений.

Вчера, 20:50
5 минут
Василий Парфенов

В московском аэропорту Жуковский произошло ЧП: за пределы взлетно-посадочной полосы выкатился новейший отечественный авиалайнер МС-21-300. Он проходил испытания, во время которых имитировали прерванный полет из-за отказа одного двигателя.

16 января
9 минут
Василий Парфенов

Специалисты по информационной безопасности нашли пренеприятнейшую особенность ОС Windows 10. Ее штатный драйвер файловой системы NTFS при определенных условиях реагирует крайне деструктивным образом — критически повреждает главную файловую таблицу MFT. Вызвать такое его поведение можно огромным количеством способов: от создания подготовленной веб-страницы до отправки картинок, файлов и документов жертве.

4 января
2 минуты
Илья Ведмеденко

В России приступили к летным испытаниям нового Ту-214. По имеющимся данным, речь идет о третьем и заключительном экземпляре Ту-214ПУ, изготовленном по контракту от 2017 года.

6 января
42 минуты
Александр Березин

Попытки нашей страны создать замену сверхмассовому биплану советской эпохи терпят неудачи вот уже тридцать лет. Причина проста: кризис легкомоторной авиации в целом. Когда-то самая передовая часть авиастроения сегодня застряла на решениях большой древности — и без резкого изменения всей концепции "летающего такси" так и не увидит заметных результатов.

4 января
7 минут
Василий Парфенов

Наступление Мирового океана на сушу, как правило, связывают с глобальным потеплением. Однако испанские геологи описали еще одну проблему, которая только усугубляет ситуацию. Они подсчитали, что из-за проседания почв территория, на которой проживает 19% населения Земли, окажется ниже уровня моря уже к 2040 году.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: