Історична довідка щодо провідних галузей застосування медичних приладо-комп’ютерних систем.

Двадцяте століття, особливо його друга половина, ознаменувалося інтенсивним розвитком нових методів обстеження, лікування і прогнозування. У порівняно короткий час прогрес збагатив практичну медицину візуальними й лабораторними методами діагностики, системами лікування, моделювання лікувальних процесів, прогнозування тощо. Кожне новітнє відкриття у фізиці або техніці відразу впроваджувалося в медицину. Яскравим прикладом може служити відкриття Рентгена і блискуче його впровадження в лікарську практику. З моменту відкриття рентгенівських променів (1895 рік) медицина увійшла в нову еру. Рентгенівські апарати значно посприяли діагностиці багатьох захворювань і були майже єдиними представниками візуальних методів дослідження майже всю першу половину XX століття.

Відкриття оптоволокна в 50-і роки привело до появи ендоскопів — інвазивних візуальних методів дослідження внутрішніх порожнистих органів. Шляхом поєднання ендоскопів з мікропроцесорами на початку 80-х років було створено відео-інформаційні системи — відеоендоскопи з високою роздільною здатністю і здатністю зберігати інформацію на зовнішніх носіях. Такі системи дали змогу виводити на великий екран дані про осередок захворювання та етапи операцій (лапароскопія).

Саме комп'ютерна техніка, інтегрована в медицину, допомагала вирішувати найскладніші діагностичні проблеми. У 70-х роках XX століття світова медицина одержала засоби дослідження, про які на початку XIX століття можна було лише мріяти. Так, винайдення КТ і УЗД відкрили нову еру в діагностиці і стали золотим стандартом у виявленні великої кількості різних хвороб. У 1972 році англійський інженер Годфрі Хаунсфілд винайшов комп'ютерний томограф. Американський фізик Аллан Кормак незалежно від Хоунсфілда розробив подібний процес. І в 1979 році "за розробку комп'ютерної томографії" обох було нагороджено Нобелівською премією з фізіології і медицини. Уже в 1978 році перший комп'ютерний томограф було встановлено у Радянському Союзі, а на початку 80-х років Київський завод реле й автоматики розпочав виробництво ска-нувальних рентгенівських томографів для обстеження головного мозку. У 2003 році за винахід методу магнітно-резонансної томографії (МРТ) Нобелівську премію з фізіології та медицини одержали британець сер Пітер Менсфілд і американець Пол Лотербур. Нині в клініках і дослідних центрах світу нараховується близько 23 тис. магнітно-резонансних томографів, на яких проводиться до 60 млн досліджень у рік.

Паралельно з винайденням і вдосконаленням томографів у 60-х роках починається розвиток ультразвукових візуальних методів дослідження. Цифрові УЗ-апарати на базі технології МSV™ (мультислайсинг) дають змогу переглядати одночасно кілька двовимірних зрізів, отриманих при тривимірному скануванні (аналог технологій КТ, МРТ), що відповідає назві — ультразвукова томографія.

У 70-х роках XX століття в США, Японії, країнах Західної Європи інформаційні технології впровадили в лабораторну діагностику. Результат — створення автоматів для біохіміч­них, гематологічних, імунохімічних, молекулярно-біологічних досліджень. В Україні такі технології з'явилися наприкінці 90-х років. Серед завдань нових технологій (автоматів і приладів на базі процесорної техніки та спеціального ППЗ) — аналіз даних мікробіологічних, вірусологічних, цитологічних досліджень, біопсії. Це дало змогу розширити діапазон експрес-аналізів. МПКС для проведення лабораторних аналізів і досліджень якісно змінили рівень результатів аналізів будь-якої клінічної лабораторії. На світовому ринку продуктів для лабораторної медицини найбільш представницькими є СИТА, Японія, Німеччина.

Серед МПКС особливе місце займає комп'ютерний моніторинг — апаратні комплекси, призначені для спостереження за параметрами функціонування якого-небудь одного органа або системи органів. Такі технології почали розвиватися ще на початку 60-х років. Значний внесок у розробку моніторингових систем зробили вітчизняні вчені М.М. Амосов, М.Л. Биховський, Є.В. Гублер спільно з фахівцями з обчислювальної техніки. Спостереження за станом хворих під час хірургічних операцій і післяопераційних хворих у палатах інтенсивної терапії вели автомати, програмне забезпечення яких чітко контролювало всі відхилення від норми спостережуваних біологічних параметрів. Із зарубіжних пріоритетів можна виділити роботи американських та японських учених.

На сьогодні МПКС застосовують у різних медичних галузях: кардіології, хірургії, терапії, гастроентерології, онкології, педіатрії, тобто там, де потрібні сучасні методи діагностики й моніторингу.

Наприклад, апарат, призначений для проведення моніторингу життєвих параметрів пацієнтів усіх вікових груп, виводить показники ЕКГ, насиченості крові киснем (пульсоксиметрія), неінвазивного тиску крові, параметри дихання, температури тіла (мал.1).

Упровадження цифрових технологій удосконалює вже відомі нові методики дослідження. Серед останніх досягнень— застосування мініатюрних кольорових відеокамер у вигляді капсул для дослідження стравоходу з метою діагностувати й оцінити ступінь тяжкості захворювання, а також виявити ознаки пухлинного ураження травного тракту на ранніх стадіях. Камера на базі мікропроцесора рухається вниз по стравоходу, при цьому роблячи 2600 знімків за 14 с (185 знімків за 1 с; мал. 2). Відеодані передаються на носій інформації в ПК лікаря в кількості, достатній для встановлення діагнозу. Аналогічно проводять дослідження інших відділів травного трак­ту, якими рухається відеокамера.

Мал. 1. Апарат для проведення моніторингу

 

Мал. 2. Застосування мініатюрних кольорових відеокамер у медицині

Таким чином, до початку XX століття медицина одержала можливість досліджувати всі органи людини, причому більша частина методів є неінвазивними, тобто такими, які виключають уведення в організм людини інструментів або контрастних речовин. Вони не супроводжуються болючими відчуттями з боку пацієнта й виникненням можливих ускладнень.

2. Комп’ютерні системи дозиметричного планування в онкології

Системи дозиметричного планування (СДП) належать до спеціальних інформаційних систем, що працюють у променевій терапії. Призначення систем — планування променевого навантаження на пацієнта при проведенні променевої терапії. При цьому здійснюється прогнозування результатів лікування після моделювання того радіаційного поля, впливу якого зазнаватиме пацієнт. СДП застосовують в Україні з кінця 80-х років XX століття.

Онкологічні захворювання — одна з найактуальніших проблем у світовій охороні здоров'я. У середньому близько 70 % онкологічних хворих проходять курс променевої терапії. Іонізуючий вплив на злоякісні новоутворення є одним із найефективніших терапевтичних методів. В основі такого лікування лежить процес опромінення ракової пухлини різними за своєю фізичною природою видами випромінювання: електронним, позитронним, нейтронним, фотонним, рентгенівським. Частинки високих енергій руйнують ракові клітини пухлини і пригнічують їхнє відтворення. Підхід "чим вища доза випромінювання, тим краще" у променевій терапії онкологічних захворювань абсолютно неприйнятний. Наприклад, відповідно до медичних норм оптимальним є променеве навантаження 70 Гр. При меншому навантаженні частина ракових клітин залишиться живою, при більшому народжуються нові клітини-мутанти, резистентні до випромінювання. І при цьому вони зберігають здатність розмножуватися. Розподіл дози іонізуючого випромінювання в тканинах і органах пацієнтів підпорядковується складним фізичним законам. Високі дози шкідливі, низькі не ефективні. Це завдання потрібно вирішувати щоразу, в індивідуальному порядку.

Друге завдання пов'язане з першим: оскільки чітка межа безпеки між здоровими тканинами прилеглих органів та опро­мінюваною мішенню відсутня, то виникає проблема ураження здорових тканин, що може загрожувати здоров'ю і життю пацієнта. Ідеальної дози, здатної стерилізувати пухлину без ураження здорової тканини, не існує. На цьому етапі вводиться поняття про оптимальну дозу, тобто дозу, що дає максимум шансів зруйнувати пухлину і мінімальний ризик розвитку ускладнень. Потрібний точний розрахунок променевих навантажень на прилеглі здорові органи. До появи СДП такий розрахунок вівся вручну за допомогою ізодозних прозорих карт. З погляду фізики, людина — це насамперед багатошарова система, що складається з великої кількості різнорідних тканин, які неоднаково поглинають випромінювання.

Таким чином, при плануванні променевої терапії необхідно:

— застосувати однорідну дозу на весь опромінюваний об'єкт, наскільки це можливо, щоб уникнути як передозування, так і недостатньої дози порівняно з оптимальною;

— знайти такий технічний спосіб опромінення, що дав би змогу обмежити вплив опромінення (застосовувати найнижчу дозу) на здорові тканини;

— точно оцінити дози, які застосовують при опроміненні різних ділянок тіла, і впевнитися, що жоден орган не зазнає впливу небезпечної для нього дози.

Для вирішення таких завдань у комп'ютер СДП уводять дані:

— ЛПЗ, прізвище хворого, вік тощо;

— вихідну дозиметричну інформацію про радіоактивне джерело, що міститься в апараті. Комп'ютер коригуватиме вихідну потужність дози з урахуванням розпаду радіоактивного джерела;

— контури тіла пацієнта, мішені (ділянки, що зазнає опромінення), внутрішніх органів уводяться вручну з рентгенівських знімків або шляхом "скачування" томограми з комп'ютерного томографа;

— розміри полів опромінення — розміри мішені (пухлина, лімфовузли, доопераційне поле, післяопераційне поле). Таку інформацію, як було зазначено, безпосередньо одержують із даних томографічних досліджень локалізації пухлин;

— щільність тканин, що зазнають опромінення. У такий спосіб буде враховано їхню неоднорідність (гетерогенність), неоднакову їх "прозорість" для опромінення;

— режим опромінення (ротація, один зі статичних, комбінований).

Таким чином, скласти індивідуальний план опромінення можна на основі введених у комп'ютер трьох вузлових параметрів, які є вихідними точками обробки даних: анатомічних даних (п. 3,4), точного опису джерела опромінення (п. 2) і обраного режиму променевих процедур (п. 6).

Після цього запускається програма на виконання і на екрані монітора системи поверх уведеного контуру (п. 3) з'являються лінії замкнутих кривих — ізодозні лінії, що показують кількісний розподіл дози у відсотках по всьому контуру. Саме на цьому етапі на екрані монітора можна побачити будь-яку ділянку, що опромінюється. Якщо здорові тканини потрапляють у зону високої дози опромінення, на що вказує карта ізодоз, то такий варіант лікування відкидається і в комп'ютер СДП уводять інші дані (змінюють режими опромінення). Цей процес здійснюють кілька разів, поки не буде обрано найкращі умови і модель поля прогнозуватиме терапевтичний ефект із найменшими ускладненнями. Окрім графічного зображення поля СДП розраховує дози, оцінює дозовий розподіл у тканинах і задає оптимальні параметри сеансу опромінення. Отриманий у вигляді сукупності ізоліній (ізодоз) розподіл доз наносять на топометричну карту і використовують для визначення таких параметрів опромінення, як разова поглинена доза, час опромінення, розмір поля опромінення, розташування точки цент-рації осей пучків випромінювання. Таким чином, перебираючи різні варіанти моделей поля, обирають найкращий варіант променевої терапії в кожному конкретному випадку.

На сьогодні створено такі СДП, які самостійно оптимізують, моделюють об'ємне радіаційне поле, розраховують оптимальну дозу опромінення за заданим об'ємом пухлини тощо. Така робота неможлива без застосування комп'ютерних сис­тем, які працюють на високопродуктивних процесорах і використовують для розрахунку складні математичні алгоритми. У СДП останніх поколінь перед початком курсу опромінення для перевірки адекватності вже отриманого дозиметричного плану проводиться віртуальна симуляція (об'ємне моделювання). Система віртуальної симуляції складається зі звичайного спірального комп'ютерного томографа, оснащеного спеціальною системою лазерного наведення, і високопродуктивної робочої станції (ПК), на яку надходять комп'ютерні скани. На робочій станції здійснюється переведення поперечних сканів у тривимірне зображення, контурування мішені та критичних органів і розробка попереднього плану опромінення (мал. 3, 4).

Програмне забезпечення СДП дає змогу використати тривимірне зображення досліджуваного органа (об'ємну томограму), переглянути його і зробити розріз у будь-якій площині. Лікар може вибрати точку на цій моделі в середині пухлини і дати завдання комп'ютерній системі розрахувати кількість енергії, яку потрібно підвести конкретно в цю зону.

СПД оснащено потужними робочими станціями — сучасними комп'ютерами, які дають змогу лікарю-радіотерапевту проводити віртуальну КТ-симуляцію будь-яких процедур дистанційного опромінення і здійснювати передпроменеву розмітку тіла пацієнта, а так само миттєво відтворювати відхилення дози від запланованого значення.

Мал. 3. Модель радіаційних полів зон, що зазнають опромінення

Мал. 4. Комп'ютерні зрізи в трьох проекціях: анатомічна інформація (ліворуч), використання режимів опромінення (у центрі), ізодозна карта (праворуч вгорі), модель радіаційного поля з розподілом доз опромінення (праворуч унизу)

Сучасні СДП ґрунтуються на найширшому застосуванні новітніх комп'ютерних та інформаційних технологій і забезпечують прямий доступ через Іntеrnеt; до серверів провідних клінік Європи і США для одержання медичних зображень. СДП "прив'язані" до систем випромінювання, які настільки складні і "витончені", що дають змогу фактично перетворити променеву терапію на променеву хірургію. Можна, наприклад, "вирізати" певну ділянку пухлини і передати в неї енергію іонізуючого випромінювання, мало зачепивши прилеглі здорові тканин, тобто розрахувати променеві навантаження безпосередньо в будь-якій точці ураженого органа.

Сучасні СДП інтегровані в радіологічну інформаційно-керувальну систему ЛПЗ, медична інформаційна система якого складається із серверів, робочих станцій, мережевого обладнання, що поєднує всю опромінювальну апаратуру й апаратуру передпроменевої підготовки для введення, перегляду, обробки і зберігання даних про всіх пацієнтів, які проходять лікування у відділенні променевої терапії. Сьогодні у світі встановлено понад 1400 ефективно функціонуючих систем планування, з'єднаних із радіологічною системою. Деякі СДП стали свого роду еталонами при розробці ще досконаліших систем (SERА, NCTPlan тощо).

Контрольні питання

1. У якій сфері застосовують СДП?

2. Перерахуйте основні завдання, які вирішують СДП.

3. Які медичні дані вводять у СДП для вирішення її за­вдань?

4. У який спосіб можна ввести анатомічну інформацію в систему?

5. Назвіть особливості СДП останніх поколінь.