Автоматизированная оценка результатов хирургического лечения приобретенных клапанных пороков сердца по цифровым рентгенограммам

Распространенность среди населения Российской Федерации болезней сердечно-сосудистой системы, а именно клапанных Ш 1С, очень высока. Эти патологии приводят к инвалидности и часто к смерти больных. Их раннее выявление имеет большое значение для выбора тактики лечения и прогноза жизни больного. Ежегодно в стране выполняется большое количество операций по поводу ППС и эта цифра имеет постоянную тенденцию к прогрессивному росту. В 2000 г. было выполнено 4465, в 2001 г. — 5200, в 2002 г. — 5644, в 2003 г. — 6080 оперативных вмешательств. В среднем по России хирургическое лечение клапанных ППС на 1 млн. населения составило: в 2001 г. — 35,9, в 2002 г. — 39,4, в 2003 г. — 42,6 [17]. Применение передовых высокотехнологичных методов и устройств, как характерная черта современной кардиохирургии, способствует еще большему наращиванию темпов оказания кардиохирургической помощи населению. В практическом, здравоохранении врач сталкивается с проблемой необходимости своевременного качественного обследования прооперированных больных, поскольку оценка результатов операции является обязательной процедурой в протоколе ведения кардиохирургического больного. Отсюда понятна актуальность и практическая значимость нашего исследования.

В диагностике предпочтение традиционно отдается безопасным для пациента и наиболее диагностически точным методам. В настоящее время для выявления патологии сердечно-сосудистой системы применяется множество лучевых методов, таких как УЗИ, компьютерная рентгеновская и ЯМР томография. С их помощью возможно оценивать размеры, функцию и структуру сердца и крупных сосудов и они, несомненно, будут решать проблемы точной предоперационной анатомической диагностики пороков сердца и магистральных сосудов [83]. Так, например, УЗИ сердца и магистральных сосудов позволяет достаточно верно визуализировать внутрисердечную анатомию и определить гемодинамические показатели, поэтому эти задачи при рентгенологическом исследовании кардиологических больных на современном этапе не ставятся. Однако первичное выявление патологических состояний системы кровообращения по-прежнему остается в сфере методик, начинающихся с обычного рентгенологического исследования, включающего в себя сейчас и цифровые способы получения рентгеновского изображения [37, 50, 58]. Значение рентгеновского метода в диагностике сердечно-сосудистых заболеваний по-прежнему актуально, так как с его помощью удается сделать доступными для оценки малый круг кровообращения и относительные размеры отделов сердца и крупных сосудов. Простое рентгенологическое исследование, которое всегда было и остается абсолютно необходимым и обязательным методом диагностики заболеваний сердца и сосудов, дает возможность оценить состояние органов грудной клетки, начиная с костного скелета и заканчивая собственно сердцем. При этом оно позволяет выявить сопутствующие заболевания, в частности заболевания легких, которые могут влиять на результаты хирургических вмешательств на сердце и сосудах и даже быть противопоказанием к ним. Стандартная обзорная рентгенограмма органов грудной клетки — наиболее доступный и широко распространенный, имеющий минимум противопоказаний и достаточную информативность метод диагностики болезней сердца и сосудов [47, 64, 71]. С ее помощью имеется возможность установить или предположить предварительный диагноз, осуществлять контроль за состоянием сердца и легких в ближайшем послеоперационном периоде, оценивать результат операции. Очень важно и то, что на одном снимке исследователь может одновременно визуально оценивать и интерпретировать теневую картину, которую создают сосуды малого круга кровообращения, сердце и связанные с ним крупные сосуды. Цифровые рентгеновские изображения органов грудной клетки, выполненные в прямой проекции, в настоящее время считаются более предпочтительными для оценки теневой картины сердца и крупных сосудов в виду явных преимуществ цифрового рентгеновского изображения перед традиционным аналоговым (пленочным) [38, 50, 116, 125]. Программное обеспечение позволяет проводить различные измерения на цифровом изображении — линейные расстояния, площади участков любой конфигурации, углы, а получаемые численные значения можно использовать для оценки формы, величины и положения сердца и относящихся к нему крупных сосудов. Кроме того, изображение в цифровом виде может анализироваться компьютером при помощи специальных программ без участия человека, что придает определенную объективность получаемым результатам, так как роль человеческого фактора сводится к минимумуисследователь только запускает программу, контролирует и направляет работу вычислительной машины, не вмешиваясь в сам процесс [39, 42, 43]. С момента возникновения рентгенологии ведутся постоянные поиски и делаются попытки создать методики, позволяющие производить количественное измерение сердца и магистральных сосудов при нормальном и патологическом их состоянии. И. Х. Рабкин и Э. А. Григорян ввели цифровые величины в рентгенокардиологию и выявили их соответствие с гемодинамическими показателями. Относительные величины, которыми пользовались исследователи, были получены на основе линейных измерений [63]. Они также изучали оперированное сердце в отдаленном послеоперационном периоде (через 6 месяцев и более после операции) — это относилось к состояниям после пластики и комиссуротомии. Протезирование клапанов и крупных сосудов при этом не рассматривалось [62]. Осуществление динамического наблюдения за больными после операции и до выписки из стационара требует в настоящее время создания бесконтрастных, неинвазивных, доступных и достаточно объективных методов исследования, так как существует необходимость оперативного контроля за изменениями и сдвигами, вызванными хирургическим вмешательством [57, 66, 72].

По прогнозу главного рентгенолога России Л. М. Портного развитие цифровых методов получения рентгеновского изображения будет опережающим и приоритетным, ввиду их многочисленных преимуществ перед традиционными пленочными (особенно важно то, что лучевая нагрузка при цифровой рентгенографии ниже в десятки раз) [61]. В этой связи особенно важно изучение возможностей цифровой рентгенографии и применение их для первичного отбора пациентов с клапанными приобретенными пороками сердца, а также для оценки динамики рентгенологических изменений в ответ на их оперативное лечение [43, 44, 45]. Методы цифровой рентгенографии позволяют перейти от качественных, интуитивно-эмпирических оценок патологии легких и сердца, к количественным цифровым показателям. Получение цифровых показателей моделей (описания) нормы и различных патологических состояний, совмещенное с новыми методами статистической обработки, может перевести клиническую рентгенологию на качественно новый уровень доказательной медицины [40, 42, 52].

Актуальность темы

исследования.

Основными проблемами для лучевой диагностики на современном этапе применительно к рентгенокардиологии и кардиохирургии являются:

1. Разделение ЦРИ ОГК на «норму» и «не норму».

2. Разделение ЦРИ ОГК, отнесенных к «не норме», на различные патологические состояния, то есть конкретная рентгенодиагностика заболеваний сердца и связанных с ним крупных сосудов.

3. Необходима сравнительная оценка рентгеновских изображений органов грудной клетки пациентов с клапанными ППС до и после оперативной коррекции, с возможностью объективно, в числовом выражении, показать эффективность проведенной операции.

4. Создание компьютерных программ для автоматизированной объективной диагностики клапанных ППС и анализа их послеоперационной динамики по ЦРИ ОГК, выполненных в прямой проекции, без вывода изображения на экран монитора или на бумажный носитель посредством принтера.

Из всего круга возможных решений вышеуказанных проблем предпочтительно исследование возможности цифровой рентгенографии в объективном определении оценки силуэта сердечно-сосудистой тени при клапанных ППС до и после их хирургической коррекции. Приоритетность этого направления связана с тем, что при клапанных ППС наиболее ранними рентгенологическими симптомами являются расширение полостей сердца и крупных сосудов, а изменения в малом круге кровообращения, такие как застой и гипертензия, возникают на более поздних стадиях порока, когда хирургическое лечение затруднено или даже невозможно.

Одним из перспективных направлений является то, что количественные характеристики состояния ССТ, полученные с помощью цифровой рентгенографии, позволят разработать алгоритм, а в дальнейшем и автоматическую программу диагностики заболеваний сердца и сосудов. При этом основным инструментом достижения этой цели является применение современной компьютерной программы Data Mining, позволяющей проводить точный «интеллектуальный» анализ любой количественной информации. В итоге кардиохирургия пополнится новым методом для диагностики заболеваний ССС и контроля результатов хирургического лечения [33, 41, 43]. Преимуществами этого метода являются неинвазивность, объективность, возможность проводить массовые скрининговые обследования, а при наличии телекоммуникационного оборудования — дистанционное консультирование. В доступной зарубежной и отечественной литературе научных исследований, аналогичных нашему, мы не обнаружили.

Цель исследования. Совершенствование системы объективной оценки результатов хирургического лечения больных приобретенными клапанными пороками сердца на основе автоматизации идентификации силуэтов сердечно-сосудистой тени на цифровых рентгенограммах. Задачи исследования:

1. Разработать методику получения количественной цифровой информации о форме и размерах силуэта сердечно-сосудистой тени на ЦРИ ОГК в прямой проекции.

2. На основе такой информации, используя Data Mining, получить «паттерны» для каждого вида клапанного ППС и состояния «нормы». Изучить особенности структуры «паттернов» и возможность их применения для дифференциальной диагностики клапанных ППС.

3.Используя полученные «паттерны», разработать метод цифровой оценки проведенного хирургического лечения у пациентов с клапанными ППС путем сравнения до-, и послеоперационного варианта силуэта ССТ.

4. Изучить результаты операций на основе разработанных критериев.

5. Апробировать разработанный метод в клинической практике, оценить его возможности и прогностическую значимость.

Научная новизна и практическая значимость:

1. Впервые разработана методика количественной оценки формы и размеров цифрового рентгеновского изображения элементов сердечно-сосудистой тени в прямой проекции.

2. Впервые получены «паттерны», отражающие характерные признаки силуэта ССТ при различных клапанных ППС и «условной норме».

3. Впервые разработан метод объективной автоматизированной рентгенологической оценки результатов хирургической коррекции у пациентов с клапанными ППС по ПРИ ОГК в прямой проекции. Апробация результатов диссертагщонной работы. Основные положения, выводы и практические рекомендации доложены на научно-практических конференциях (Барнаул, июль 2003 г.- Тюмень, ноябрь 2003 г.), на заседании кафедры лучевой диагностики Новосибирской Государственной Медицинской Академии (Новосибирск, 2004г), на заседании Новосибирского областного общества рентгенологов (Новосибирск, 2004г), на заседании Ученого совета ГУ ННИИ ПК МЗ РФ (Новосибирск, 2005г) и опубликованы в центральной научно-медицинской литературе. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 5 статей в центральной печати. Основные научные положения диссертации, выносимые на публичную защиту:

1. После хирургического лечения клапанных 1111С происходит изменение рентгенологических признаков перегрузки сердца, по динамике которых можно оценивать результат операции.

2. Оперативное лечение клапанных 1111С никогда не приводит к немедленной «нормализации» конфигурации и величины ССТ. В большей степени на послеоперационную динамику рентгенологической картины влияют особенности компенсации клапанного порока сердца и его стадия.

3. Обработка и анализ ЦРИ ОГК при помощи компьютера позволяет объективно распознавать силуэт ССТ как «норму» и «не норму» и на этой основе проводить дифференциальную диагностику, а в случаях оперативного лечения прослеживать послеоперационную динамику и оценивать результат операции.

4. Созданная система оценки результатов выполненной операции по поводу коррекции клапанного ППС на основе паттернов цифровой рентгенографии позволяет достоверно оценивать эффективность хирургического вмешательства на госпитальном этапе.

5. Возможно создание автоматизированной системы распознавания силуэта ССТ при различных типах клапанных ППС — нового высокоэффективного инструмента дифференциальной диагностики и оценки оперативного лечения.

выводы.

1. Установлено, что разработанная методика получения цифровой количественной информации о форме и размерах элементов силуэта ССТ на ПРИ ОГК в прямой проекции позволяет автоматизировать процесс идентификации силуэтов ССТ.

2. Установлено, что полученные при помощи Data Mining паттерны «норма» и «ненорма» состояния силуэта ССТ обладают чувствительностью 97% и специфичностью 100%. При дифференциальной диагностике клапанных ППС выявлено, что паттерны состояния силуэта ССТ различных клапанных ППС имеют чувствительность от 60% до 100%, а специфичность от 80% до 100%.

3. Результат автоматизированной оценки эффективности выполненной операции по поводу коррекции клапанного ППС на основе разработанного метода с использованием паттернов цифровой рентгенографии в 93% случаев совпадал с заключением врача — эксперта.

4. Установлено, что на госпитальном этапе после хирургической коррекции клапанного ППС силуэт ССТ в 100% случаях не становился таким же, как при условной норме.

5. Установлена следующая динамика конфигурации и размеров силуэта ССТ после проведения операции на сердце по поводу любого клапанного ППСуменьшаются, либо исчезают, имевшиеся до операции признаки диастолической перегрузки, признаки систолической перегрузки практически не меняются, либо лишь уменьшаются, но не исчезают.

6. Установлено, что чем больше клапанов сердца вовлечено в патологический процесс, тем меньшей будет послеоперационная динамика силуэта ССТ, даже при безупречно выполненной операции.

7. Установлено, что послеоперационное изменение силуэта ССТ, связанное с применением экстракардиальных кондуитов, может быть неправильно интерпретировано как возникновение рентгенологических признаков, свидетельствующих об отрицательном эффекте операции.

8. При апробации в клинике установлено, что разработанный метод автоматизированной дифференциальной диагностики и оценки результатов хирургического лечения клапанных ППС на основе компьютерного анализа цифровых прямопроекционных рентгенограмм имеет чувствительность от 60% до 100% и специфичность от 80% до 100%.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Комплексную оценку результатов хирургического лечения клапанных ППС на фоне стабилизации гемодинамического статуса пациента целесообразно дополнять разработанной нами автоматизированной методикой. Она позволяет оперативно и объективно, без «человеческого фактора», оценивать результат хирургической коррекции наиболее распространенных клапанных ППС на госпитальном этапе лечения больного в стационаре.

2. Результаты хирургического лечения следует считать удовлетворительными, если нет четкой динамики предоперационного состояния силуэта ССТпосле операции он распознается тем же самым паттерном, что и до операции.

3. Результаты хирургического лечения следует считать неудовлетворительными, если после операции имеет место отрицательная динамика изменения силуэта ССТ — увеличиваются его размеры, меняется конфигурация — он распознается паттерном или несколькими паттернами одновременно, которым до операции он не соответствовал.

4. Результаты хирургического лечения следует считать хорошим, если после операции имеет место положительная динамика изменения силуэта ССТ — его размеры и конфигурация изменяются в сторону «НОРМЫ», но не достигают ее. Он не распознается каким-либо паттерном клапанного ППС, соответствуя паттерну «НЕНОРМА».