Курсовая работа методы и системы визуализации в онкохирургии, современное состояние исследований

ВВЕДЕНИЕ

С древних времен, когда лишь появились первые представления необходимости удаления новообразований, до наших дней идет поиск баланса между радикальностью лечения и его травматичностью. Развитие медицинской науки позволяет врачам получать все больше информации о пациенте и опухоли до операции и выполнять большие объемы вмешательств, нанося меньшую травму.

В выявлении степени распространенности опухолевого процесса, определении необходимого и достаточного объема хирургического вмешательства для обеспечения наилучших непосредственных и отдаленных результатов лечения огромную роль играет предоперационное стадирование, которое включает современные методы визуализации [1].

Однако центральной задачей в онкологической хирургии является удаление опухоли, по возможности, не затрагивая соседние здоровые ткани.

Конечно, современные медицинские диагностические методы, включая магнитно-резонансную, позитронно-эмиссионную, компьютерную томографию, неинвазивно позволяют оценить объем пораженной ткани до хирургического вмешательства, но в пределах операционной хирург остается только с представлением о границах пораженной ткани, не в состоянии оценить ее границы визуально в ходе операции. Поэтому ожидать дальнейшего совершенствования техники операций можно лишь за счет разработки новых методов прямой визуализации хирургом опухоли и метастаз, а так же робот-ассистированной хирургии рака, которая, как ожидается, сможет помочь хирургам преодолеть технические трудности за счет лучшей визуализации и артикуляции инструментов [1, 2].

1Эндоскопические исследования

Возможности эндоскопии вышли далеко за границы только осмотра полых органов. При использовании сочетанных с эндоскопией лучевых методов диагностики, таких, как рентгенологический и ультразвуковой, стали доступны для исследования и проведения лечебных мероприятий органы и ткани. Таким образом, современная эндоскопия основана на получении непосредственных изображений просвета полых внутренних органов: с помощью эндоскопического ультразвука - стенки и окружающих органов, с помощью рентгенологических методов - контрастирование трубчатых структур (протоки поджелудочной железы и печени).

Гибкий эндоскоп имеет специальные каналы для введения воздуха, орошения жидкостями, а также инструментальный канал. Для проведения лечебных мероприятий имеются специальные эндоскопы, оснащенные дополнительными рабочими каналами. Для получения эндоскопического УЗ-изображения на дистальном конце эндоскопа располагается датчик, который сканирует внутренние органы.

Эндоскопы имеют специальные каналы, через которые вводят различные инструменты (мочеточниковые катетеры, щипцы или зонды для взятия прицельной биопсии, электроды для электрокоагуляции). Калибры современных цистоскопов позволяют произвести осмотр мочевого пузыря, катетеризацию мочеточников и пиелографию даже у новорожденных. Операционные цистоскопы в значительной степени вытеснили некоторые кровавые методы лечения (электрокоагуляция опухолей мочевого пузыря, эндовезикальное удаление камней мочеточника и т. д.) или заменили вслепую производимые операции более простыми и более безопасными методами под контролем глаза.

Для подтверждения злокачественной природы выявленного новообразования необходимо морфологическое исследование ткани. В настоящее время имеется ряд способов получения материала для исследования: биопсия, браш-биопсия, тонкоигольная пункция.

Биопсия проводится с помощью специальных эндоскопических инструментов и позволяет получать фрагменты опухолевой ткани, с помощью тонкоигольной пункции возможно получение материала из новообразования и лимфатических узлов.

Для эндоскопических исследований применяются видеоэндоскопы, с помощью которых возможно получение изображения с высоким разрешением; некоторые из них оснащены специальным оптическим устройством, благодаря которому возможно получение максимально увеличенного изображения. Изображение выводится на монитор и может быть оцифровано, после чего оно становится доступным для дополнительной компьютерной обработки и электронного архивирования, рисунок 1.

Рисунок 1 - Визуализация объекта с помощью эндоскопа
В зависимости от исследуемой области или конкретного органа различают основные методы эндоскопии: бронхоскопия, гастроскопия, перитонеоскопия (лапароскопия), ректороманоскопия, гистероскопия, артроскопия, торакоскопия, уретроскопия, цистоскопия, эзофагоскопия, кардиоскопия и др.

Таким образом, современная эндоскопия - это мощный диагностический и лечебный комплекс, который призван выявлять новообразования, получать материал для морфологического исследования, определять на дооперационном этапе стадию опухолевого процесса, эффективно проводить малоинвазивные лечебные вмешательства.

- для исследования органов и тканей живота таза (2,5-5 МГц);

- для поверхностно расположенных органов и тканей (5-12 МГц);

- для исследования сердца с радиусом кривизны 10-20 мм (2,5- 5 МГц);

- внутриполостные, интраоперационные лапароскопические и торакоскопические датчики (5-7,5 МГц);

- эндоскопические чреспищеводные (5-10 МГц);

- внутрисосудистые (10-20 МГц);

- трансуретральные (до 30 МГц) и др.

Основой допплеровских методов УЗД является эффект Допплера, который состоит в том, что частота колебаний звуковых волн, излучаемых источником (передатчиком) звука, и частота этих же звуковых волн, принимаемых приемником звука, отличаются, если приемник и передатчик движутся друг относительно друга (сближаются или удаляются). Тот же эффект наблюдается, если в приемник поступают сигналы источника звука после отражения движущимся отражателем. Это происходит при отражении УЗ-сигналов от движущихся биологических структур - элементов крови.

Современные УЗ-приборы обеспечивают следующие допплеровские режимы:

- цветовое допплеровское картирование (ЦДК);

- энергетическое допплеровское картирование (ЭДК);

- допплеровскую визуализацию тканей и 3-мерное ЦДК и ЭДК или 3-мерную ангиографию.

Эти режимы позволяют выявлять в патологическом образовании сосуды, их количество, характер кровотока (линейный, извитой), определять взаимосвязь патологического образования с магистральными сосудами (сдавление, инфильтрация, врастание) и измерять спектральные показатели - скорость кровотока, пульсационный индекс, индекс резистивности.

УЗ-методы принято делить на скрининговые, базовые и специальные. Скрининговые направлены на выявление патологических участков, базовые ограничиваются изучением состояния органов брюшной и забрюшинной локализации, щитовидной и молочных желез, лимфатических узлов; специализированные (интервенционные) методы - внутриполостные, внутрисосудистые, интраоперационные, лапароскопические, сопровождающие пункцию, дренирование, термоаблацию, брахитерапию.

Полученные за много лет различные научные данные свидетельствуют, что диагностические дозы ультразвука не кумулируются (в отличие от лучевого и радионуклеидного воздействия). Это позволяет проводить неоднократные обследования больного без ограничения временного интервала между ними, что дает возможность оценивать изучаемые процессы в динамике. Немаловажным достоинством метода ультразвуковой диагностики является быстрота обследования, визуализация в режиме реального времени, простота подготовки к диагностической процедуре. Под ультразвуковым контролем производится биопсия ткани внутренних органов, что позволяет исследовать эти ткани в патоморфологической лаборатории.

Таким образом, УЗД все активнее используется в онкологии и призвана решать ряд задач:

- выявление новообразования;

- дифференциальная диагностика;

- определение распространения опухоли на соседние органы, ткани и магистральные сосуды;

- выявление отдаленных метастазов;

- динамический контроль за эффективностью лечения;

- выявление послеоперационных изменений и осложнений;

- сопровождение и контроль в реальном времени интервенционных вмешательств.

Поскольку ультразвуковая функциональная диагностика сочетает в себе высокую информативность с простотой и безопасностью исследования, она широко используется как обязательный метод диагностики онкологических заболеваний при подозрении на рак любых локализаций, для исключения наличия метастазов, рисунок 2.

Рисунок 2 – Ультразвуковое исследование молочных желёз

3 Лучевая диагностика

Традиционно лучевая диагностика в онкологии была ориентирована на раннее выявление онкологических заболеваний, стадирование и оценку результатов лечения. В современных условиях можно говорить об определенных направлениях лучевой диагностики, которые реализуются на различных этапах:

- ранняя (доклиническая) диагностика новообразований или скрининг онкологических заболеваний;

- оценка патологических изменений органов и тканей при использовании неинвазивных лучевых технологий:

- диагностика и дифференциальная диагностика выявленных патологических изменений, определение анатомических и функциональных особенностей патологического процесса;

- стадирование злокачественных опухолей, включая традиционную оценку распространенности первичной опухоли, метастазов в регионарные лимфатические узлы и наличие отдаленных метастазов;

- оценка результатов хирургического, лекарственного и лучевого лечения, включая как изменение собственно опухолевой ткани, так и возникающие в ходе лечения осложнения или реакции;

- динамическое наблюдение за больными в отдаленные сроки после лечения;

- интервенционные радиологические процедуры, т.е. малоинвазивные лечебные и диагностические мероприятия под контролем различных лучевых технологий.

Рисунок 3 - Рентгенограмма крупной опухоли средостения
Рентгенологическое исследование (рисунок 3) - применение рентгеновского излучения в медицине для изучения строения и функции различных органов и систем и распознавания заболеваний. Рентгенологическое исследование основано на неодинаковом поглощении рентгеновского излучения разными органами и тканями в зависимости от их объема и химического состава. Чем сильнее поглощает данный орган рентгеновское излучение, тем интенсивнее отбрасываемая им тень на экране или пленке. При помощи экрана производят рентгеноскопию, а при помощи пленки - рентгенографию.

Современные рентгеновские исследования в основном направлены на изучение высококонтрастных биологических структур (легкие и органы грудной полости в целом, костно-мышечная система, сосуды и полые органы в случае искусственного их контрастирования). Методика искусственного контрастирования заключается в следующем: в полость органа, в его паренхиму или в окружающие его пространства вводят вещество, которое поглощает рентгеновское излучение в большей или меньшей степени, чем исследуемый орган.

В течение XX столетия рентгенографический комплект (экран - пленка) был основным приемником в рентгеновских аппаратах, так как по качеству изображения комплекту не было альтернативы. Современные цифровые рентгеновские аппараты обладают исключительно высокими потенциальными возможностями. Сравнительный анализ пленки и цифрового приемника показал, что главное преимущество второго в том, что в нём функция детектирования изображения, его обработки, визуализации и хранения выполняются разными устройствами, что позволяет их оптимизировать независимо друг от друга. С появлением цифровых приемников сочетание всех вышеназванных процессов следует рассматривать как основной недостаток пленочной технологии.

3.2 Компьютерная томография

Типы КТ установок.

В системах первого и второго поколений, ротационно-трансляционных, рентгеновская трубка и несколько детекторов жестко укреплены на прямоугольной раме. В процессе исследования рама первоначально движется поперек тела пациента, поскольку ширина пучка рентгеновских лучей недостаточна для охвата всего поперечного сечения объекта исследования. По окончании линейного (трансляционного) движения трубки рама совершает поворот (ротацию) на 1 градус и цикл повторяется вновь. Всего производится 180 циклов трансляционно-ротационного движения. Такие аппараты могут применяться только для исследования неподвижных объектов, прежде всего головы, и в настоящее время практически не используются.

В системах третьего поколения сканирование объекта осуществляется широким веерообразным пучком рентгеновских лучей, который полностью перекрывает тело пациента. Количество детекторов увеличено до 250 - 1000. При выполнении компьютерной томограммы рентгеновская трубка и расположенные напротив нее детекторы вращаются вокруг пациента на 360 градусов. Цикл сканирования не превышает 5 - 8 секунд, а в современных аппаратах уменьшен до 0,75 - 3,0 секунд. Это позволяет уменьшить влияние пульсирующих сосудов и движущихся органов (сердца, диафрагмы, желудка, кишечника) на конечное изображение и проводить полноценные исследования всего тела.

В системах четвертого поколения детекторы жестко укреплены по всей окружности рамы сканирующего устройства, внутри которой вращается только рентгеновская трубка. В результате время сканирования уменьшается до 0,5 - 3,0 секунд. По основным параметрам системы третьего и четвертого поколения примерно равны между собой. Вместе с тем, неподвижность детекторов в установках четвертого поколения создает более благоприятные условия для сканирования, уменьшает количество артефактов, что и определяет преимущества этого типа аппаратов.

В системах пятого поколения функцию рентгеновской трубки выполняет компактный линейный ускоритель. В нем происходит ускорение электронов, формирование и пространственная ориентация электронного пучка. Анод и детекторы закреплены вдоль внутренней поверхности рамы, вокруг пациента. При торможении электронов у анода возникает рентгеновское излучение, которое фильтруется и коллимируется.

Рентгеновский луч при этом приобретает типичную веерообразную форму. Скорость вращения пучка электронов и, следовательно, рентгеновского луча вокруг пациента составляет тысячные доли секунды. Это позволяет получать до 10 - 20 изображений в секунду и наблюдать КТ картину в реальном масштабе времени.

Изображение поперечного среза на экране монитора представляет собой распределение различных оттенков серой шкалы, соответствующих определенным значениям коэффициентов ослабления. Компьютер КТ установки способен различить от 2 до 40 тыс. значений коэффициентов ослабления, однако воспроизвести все эти значения на экране монитора невозможно.

Глаз человека обычно воспринимает до 16 - 20 градаций серого цвета. Поэтому на экране монитора вся гамма серого цвета объединена в 16 ступеней, каждая из которых включает до 130 и более оттенков. Соотношение числовых значений коэффициентов ослабления и оттенков серой шкалы регулируется с помощью электронных окон. Окном (Window) называют определенную часть шкалы Хаунсфилда, которой соответствует перепад величины яркости экрана от белого до черного. Ширина окна (Window Width, WW) - это величина разности наибольшего и наименьшего коэффициента ослабления, отображаемых данным перепадом яркости от белого до черного цвета. Уровень окна (Window Level, WL) - это величина коэффициента ослабления, соответствующая середине окна. Изменение уровня окна дозволяет перемещать его в сторону больших или меньших значений чисел Хаунсфилда. Ширина и уровень окна выбираются оператором, исходя из условий наилучшего изучения определенной группы тканей. Так, коэффициенты ослабления большинства мягких тканей (кожных покровов, мышц, сухожилий), паренхиматозных органов, лимфатических узлов и кровеносных сосудов находятся в пределах +30...+70 HU. Жировая клетчатка имеет более низкую плотность (-30...-120 HU). При изучении на компьютерных томограммах этих структур, а также патологических образований в грудной полости, жидкости в плевральных полостях, безвоздушных участков легочной ткани, необходимо использовать относительно узкое окно (350...500 HU) при уровне окна +35...+45 HU. Такое окно условно обозначается как мягкотканое (window). Коэффициенты ослабления собственно легочной ткани составляют -850...-750 HU. Воздух в просветах крупных бронхов имеет существенно меньшую плотность (-1000 HU), в то время как кровь в сосудах легких - значительно большую (в среднем +40 HU). Для получения оптимального изображения легочной ткани с содержащимися в ней сосудами, бронхами, листками плевры и другими «мягкоткаными» структурами ширина окна должна быть увеличена до 800 - 2000 HU, а уровень окна смещен в сторону низких значений коэффициентов ослабления (-300...-800 HU). Такие параметры характерны для легочного и плеврального окон [4].

Для улучшения дифференцировки органов друг от друга, а также нормальных и патологических структур, используются различные методики контрастного усиления (чаще всего, с применением йодосодержащих препаратов). Двумя основными разновидностями введения контрастного препарата являются пероральное (пациент с определенным режимом выпивает раствор препарата) и внутривенное (производится медицинским персоналом).

Главной целью первого метода является контрастирование полых органов желудочно-кишечного тракта; второй метод позволяет оценить характер накопления контрастного препарата тканями и органами через кровеносную систему.

Методики внутривенного контрастного усиления во многих случаях позволяют уточнить характер выявленных патологических изменений (в том числе достаточно точно указать наличие опухолей, вплоть до предположения их гистологической структуры) на фоне окружающих их мягких тканей, а также визуализировать изменения, не выявляемые при обычном («нативном») исследовании.

Особенности накопления и вымывания контрастного вещества опухолевыми массами в большинстве случаев позволяют с уверенностью говорить о злокачественном или доброкачественном характере образования, не прибегая к пункционной биопсии и другим инвазивным методам морфологической верификации.

Несомненно, основное предназначение КТ - диагностика онкологических заболеваний.

Аббревиатура МРТ была стала заменой прежнего названия ЯМР - ядерного магнитного резонанса, дабы не пугать обывателя страшным словом «ядерный».

В сущности, ЯМР такая же абсорбционная спектроскопия, как УФ и ИК - спектроскопия, но в радиочастотном диапазоне электромагнитных волн (от 10÷30 MГц в экспериментах начального периода до 900 MГц в современных ЯМР спектрометрах). Тем не менее, есть существенная разница. Резонансное поглощение электромагнитного излучения в оптическом диапазоне происходит вследствие переходов между состояниями с дискретными уровнями энергии, существование которых предопределено природой атома и не зависит от внешних условий.

В то же время, для наблюдения ЯМР такие дискретные уровни энергии надо создавать. Возникают они в образце, помещенном в сильное магнитное поле (в современных спектрометрах в интервале 5÷20 Тл), в соответствии с приведенным диапазоном частот.

Революционным для ЯМР спектроскопии стало использование техники импульсного возбуждения с последующим преобразованием Фурье, что стало возможным лишь с появлением быстродействующих компактных ЭВМ. Эта методика наблюдения ЯМР позволяет решить две принципиально важные задачи.

Первая – это многократное сокращение времени одного наблюдения сигнала ЯМР (это позволяет наблюдать быстро протекающие реакции) и повышение чувствительности метода за счет многократного накопления сигналов. Вторая задача – управление динамикой ядерных спинов. В результате развития импульсных методов ЯМР появилась возможность исключать (включать) те или иные механизмы взаимодействия (спин-спинового и спин-решеточного), а, следовательно, многократно увеличить число модификаций ЯМР экспериментов (примерно на два порядка), в том числе, и для целей ЯМР визуализации объемных тел. Принципы импульсного ЯМР изложены с различной степенью глубины в многочисленных монографиях [5, 6].

В настоящее время в мире ежегодно проводится более шестидесяти миллионов диагностических магнитно-резонансных исследований, причем ежегодно число исследований оказывается наибольшим среди всех технологий диагностики. Основными направлениями развития магнитно-резонансной томографии являются исследования так называемых мягкотканных структур - головной и спинной мозг, межпозвоночные диски и крупные суставы, паренхиматозные органы живота и таза, а также крупные сосуды. Имеется ряд ситуаций, когда МРТ даёт определяющую диагностическую информацию, рисунок 5.

Рисунок 5 – МРТ головного мозга
Скрининг онкологических заболеваний, как организационное мероприятие, направленное на выявление заболеваний у лиц, не имеющих клинических проявлений этого заболевания и, следовательно, не имеющих оснований для обращения за медицинской помощью, всегда имел сторонников и противников, поскольку связан с проведением небезопасных массовых лучевых исследований.

Сегодня в ведущих клиниках мира широко используются методики МРТ, которые не связаны с лучевой нагрузкой и применением йодсодержащих препаратов. Наиболее демонстративным в этом плане является МРТ исследование всего тела, направленное на поиск первичной опухоли или метастатического поражения отдельных органов и тканей.

В настоящее время из методов радионуклидной диагностики наиболее широкое распространение получила сцинтиграфия — метод функциональной визуализации, заключающийся во введении в организм радиоактивных изотопов и получении изображения путём определения испускаемого ими излучения.

Визуализирующие методы радионуклидной диагностики (сцинтиграфии) основаны на получении изображения, отражающего распределение введенных в организм пациента радиофармпрепаратов, специфически накапливающихся в различных органах и тканях. Радиофармпрепараты представляют собой определенные химические или биохимические соединения, меченные гамма-излучающими радионуклидами, имеющими короткий период полураспада. Гамма-излучение, исходящее от тела пациента, регистрируется детектором гамма-камеры и после компьютерной обработки полученная информация преобразуется в функциональное изображение исследуемого органа. Пространственно-временная картина распределения радиофармпрепарата дает представление о форме, размерах и положении органа, а также о наличии в нем патологических очагов [7].

Методы радионуклидной диагностики относятся к методам молекулярной визуализации, так как отражают патологические процессы, происходящие на молекулярном и клеточном уровне, и не дублируют информацию, полученную другими методами лучевой диагностики (УЗИ, КТ, МРТ). Функциональные изменения, намного опережающие анатомические, делают методы ядерной медицины уникальными как в ранней диагностике заболеваний, так и при динамическом наблюдении.

Новое направление в клинической медицине было обозначено в начале 90-х годов в связи с внедрением в клиническую практику нового метода молекулярной визуализации, названного позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ). Разработанная еще в середине прошлого века технология регистрации позитронного излучения, возникающего в результате распада изотопов. Сегодня ПЭТ является наиболее эффективным методом разграничения доброкачественных и злокачественных тканей любой локализации. Основное значение ПЭТ имеет в дифференциальной диагностике доброкачественных и злокачественных новообразований, выявления первичной опухоли у больных с метастатическим поражением различных органов и тканей, определения распространенности первичной опухоли при неизвестных метастазах в регионарных лимфатических узлах и отдаленных органах. Уникальное значение приобретает технология ПЭТ в оценке эффективности проведенного противоопухолевого лечения. Во всех перечисленных клинических ситуациях информативность ПЭТ оказывается выше традиционных технологий морфологической визуализации.

В настоящее время онкология является одной из основных точек приложения этой технологии. Многочисленные исследования, как проспективные, так и ретроспективные показали, что ПЭТ является одним из наиболее эффективных методов выявления опухолевой ткани.

Если показатели чувствительности и специфичности КТ и МРТ в выявлении новообразований различной локализации составляют 60-90%, то аналогичные показатели для ПЭТ практически во всех исследованиях превышают 80%. При этом минимальные размеры патологических образований, выявляемых с помощью ПЭТ, составляют 5-7 мм, рисунок 6.


Рисунок 6 - ПЭТ с 18F-ФДГ. Визуализация рецидива рака прямой кишки (а) на фоне физиологического накопления радиофармпрепарата в головном мозге и почках
Основным недостатком ПЭТ, как и большинства других методов ядерной медицины, является трудность точной топической диагностики выявленных патологических образований, невозможность определения взаимоотношений опухоли с окружающими ее органами и тканями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Проведено ознакомление с различными методами визуализации, применяемыми в онкохирургии.

2 Изучено строение аппаратов и процесс их использования для каждого случая диагностики раковых заболеваний.

3 В результате проделанной работы были составлены следующие выводы:

- разработка быстрых методов лабораторной диагностики, создание новых контрастных веществ для КТ и МРТ и новых препаратов и методик для ПЭТ - это новый этап развития методов диагностики и лечения онкозаболеваний;

- благодаря совершенствованию методов диагностики, направленных на выявление опухоли и изучение изменений метаболических процессов в организме под влиянием опухоли, сокращается время исследования и упрощаются диагностические процедуры, которые удается проводить амбулаторно.

Также, в ходе выполнения данной курсовой работы были освоены следующие компетенции:

- поиск информации по теме курсовой работы в различных источниках, обработка и анализ данной информации, а затем представление её в требуемом формате с использованием информационных, компьютерных и сетевых технологий позволили освоить ОПК-7;

- использование навыков работы с компьютером, электронными источниками научной информации в процессе написания курсовой, а также овладение методами работы с данной информацией позволили освоить ОПК-9.

Список использованных источников

2 Gibbs S.L. Near infrared fluorescence for image-guided surgery / S.L. Gibbs // Quant Imaging Med Surg. - 2012. - Vol. 2. - № 3. - Р. 177-187.

3 Физика визуализации изображений в медицине: В 2-х томах. Т. 1: Пер.с англ. / Под. Ред. С. Уэбба. – М.: Мир. − 1991. – 408 с.

4. Manual of Clinical Oncology (5th ed.). / From the ШСС Manual Revision Committee // Springer-Verlag - 1990. – 301 c.

5. Эрнст Р. ЯМР в одном и двух измерениях / Р.Эрнст, Дж. Боденхаузен, А. Вокаун // Пер. с англ. − М.: Мир. − 1990. − 711 с.

6. Фаррар Т. Импульсная и Фурье-спектроскопия ЯМР / Т. Фаррар, Э. Беккер // Пер. с англ. − М.: Мир. − 1973. − 162 с.