«Σύντηξη ιατρικών απεικονιστικών δεδομένων CT-MRI για την ακτινοθεραπευτική αγωγή».

Transcript

1 Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Φυσικής «Σύντηξη ιατρικών απεικονιστικών δεδομένων CT-MRI για την ακτινοθεραπευτική αγωγή». Ασλανίδου Σοφία Α.Ε.Μ Επιβλέπων καθηγητής: Στυλιανός Στούλος

2 Πίνακας περιεχομένων Ευχαριστίες... 4 Περίληψη Η Φυσική στην Ιατρική επιστήμη και νέες εφαρμογές. 1.1 Συμβολή της Φυσικής στην εξέλιξη της Ιατρικής Σύντηξη ιατρικών εικόνων Ακτινοδιαγνωστικές Μέθοδοι 2.1. Εξέλιξη της ακτινοδιάγνωσης Αξονική τομογραφία (CT scan) Μαγνητική τομογραφία ιστορία μαγνητικής τομογραφίας Αρχή λειτουργίας μαγνητικού τομογράφου Χρόνοι ηρεμίας Ακολουθίες Δομή μαγνητικού τομογράφου Καταχώρηση και σύντηξη των εικόνων 3.1 Ορισμός και μέθοδοι καταχώρησης Γεωμετρικοί μετασχηματισμοί Συμπαγείς μετασχηματισμοί (rigid) Μη συμπαγείς μετασχηματισμοί (non rigid) Μετασχηματισμός κλίμακας Μετασχηματισμός τύπου Affine Προβολικός μετασχηματισμός Καμπυλόγραμμος μετασχηματισμός Καταχώρηση με βάση κοινά σημεία-δομές Καταχώρηση με βάση την ένταση των pixel-voxel Σύντηξη εικόνων Εφαρμογές σύντηξης απεικονιστικών δεδομένων Σύντηξη εικόνων στην διάγνωση Σύντηξη εικόνων στην θεραπεία..33 2

3 4.Πειραματική Εφαρμογή 4.1 Εφαρμογή Eclipse-Varian Καταχώρηση δεδομένων Σφάλματα στην καταχώρηση Σχεδιασμός περιοχών ακτινοβόλησης Σχεδιασμός πλάνου ακτινοθεραπείας.43 5.Αξιολόγηση σύντηξης εικόνων 5.1 Αξιολόγηση επιτυχίας της ευθυγράμμισης με την χρήση εργαλείων της εφαρμογής Αξιολόγηση με βάση τον χρόνο ευθυγράμμισης Αξιολόγηση μετακινήσεων- στροφών με τιμές από το πρόγραμμα Αξιολόγηση με μέτρηση της απόστασης αντισυμμετρικών σημείων.51 6.Συμπεράσματα.53 Βιβλιογραφία..55 3

4 Ευχαριστίες Η παρούσα πτυχιακή μελέτη εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του κ. Στούλου Στυλιανού, επίκουρου καθηγητή του τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων του τμήματος Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Το εργαστηριακό κομμάτι της εργασίας πραγματοποιήθηκε στο «Θεαγένειο» Αντικαρκινικό Νοσοκομείο Θεσσαλονίκης κάτω από την επίβλεψη της κ. Μακρίδου Άννας, προϊσταμένης του Τμήματος Ιατρικής Φυσικής. Εν πρώτοις θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ.στούλο Στυλιανό για το ενδιαφέρον και την υποστήριξη του καθ όλη την διάρκεια της διεξαγωγής της παρούσας εργασίας. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω το τμήμα Ιατρικής Φυσικής του Α.Ν.Θ «Θεαγένειο» και ιδιαίτερα την κ. Μακρίδου Άννα τόσο για την παραχώρηση του χώρου και των οργάνων για την πραγματοποίηση του πειραματικού μέρους της εργασίας, όσο και για την εμπιστοσύνη της και την πολύτιμη συμβολή της στην εκτέλεσή του. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να απευθύνω και στον συνάδελφό μου και ειδικευόμενο ακτινοθεραπευτή του Α.Ν.Θ «Θεαγένειο», Στάθη Καμπέρη, για την βοήθεια του, την προθυμία του και την καθοδήγησή του που συνέβαλαν στην πραγματοποίηση του πειραματικού μέρους της εργασίας. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για την ανυπολόγιστη υποστήριξη και την εμπιστοσύνη που μου έδειξαν σε όλη την διάρκεια των σπουδών μου. 4

5 Περίληψη Η διπλωματική εργασία ασχολείται με την εφαρμογή της καταχώρησης και σύντηξης ιατρικών απεικονιστικών δεδομένων (registration-fusion) και την χρήση της στην Ιατρική Φυσική. Η εφαρμογή αυτή αποτελεί ένα πολύ σημαντικό εργαλείο για τον καλύτερο και πιο λεπτομερή σχεδιασμό του πλάνου της ακτινοθεραπευτικής αγωγής ενός ασθενούς. Στην παρούσα μελέτη εμβαθύναμε στην σύντηξη ιατρικών εικόνων από αξονικές τομογραφίες (CT) με εικόνες από μαγνητικές τομογραφίες (MRI) και πραγματοποιήσαμε την εφαρμογή για οχτώ ασθενείς. Η εργασία χωρίζεται σε έξι βασικά κεφάλαια στα οποία γίνεται η θεωρητική ανάπτυξη για την καλύτερη κατανόηση του θέματος της εργασίας και η περιγραφή του πειραματικού μέρους που έλαβε χώρα στο Τμήμα Ιατρικής Φυσικής του Α.Ν.Θ «Θεαγένειο». Επιπρόσθετα παρατίθενται τα αποτελέσματα της αξιολόγησης της εφαρμογής και για τα οχτώ περιστατικά, η οποία έγινε με τρεις διαφορετικούς τρόπους. Τέλος καταλήγουμε στα συμπεράσματα που προέκυψαν μετά την αξιολόγηση αυτή. Στα δύο πρώτα κεφάλαια γίνεται μια θεωρητική εισαγωγή για την εξέλιξη της Ιατρικής Φυσικής και τις νέες εφαρμογές, μία από τις οποίες είναι η σύντηξη απεικονιστικών δεδομένων. Επίσης γίνεται αναφορά στις απεικονιστικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται στην Ιατρική και αναπτύσσονται κυρίως οι δύο μέθοδοι στις οποίες εφαρμόσαμε την καταχώρηση και την σύντηξη εικόνων. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η καταχώρηση και η σύντηξη ιατρικών εικόνων. Αναφέρονται επίσης οι συνδυασμοί σύντηξης απεικονιστικών δεδομένων που προέρχονται από διάφορες μεθόδους απεικόνισης. Τέλος γίνεται αναφορά στις εφαρμογές της καταχώρησης και σύντηξης εικόνων στην Ιατρική. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναπτύσσεται λεπτομερώς το πειραματικό μέρος της εργασίας. Γίνεται αναφορά στο πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε και στους τρόπους με τους οποίους έγινε η καταχώρηση και η σύντηξη των δεδομένων. Επιπλέον παρατίθενται ορισμένες εικόνες από την πειραματική εφαρμογή. 5

6 Στο τελευταίο κεφάλαιο γίνεται η αξιολόγηση της εφαρμογής με διάφορους τρόπους, οι οποίοι περιγράφονται αναλυτικά. Οι μετρήσεις που προέκυψαν κατά την αξιολόγηση της εφαρμογής παρατίθενται σε πίνακες. Καταλήγοντας αναφέρονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την πειραματική εφαρμογή και κυρίως από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Εξώφυλλο: Εικόνα από μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου 6

7 1.Η Φυσική στην Ιατρική επιστήμη και νέες εφαρμογές. 1.1 Συμβολή της Φυσικής στην εξέλιξη της Ιατρικής. Η Ιατρική Φυσική ορίζεται ως ο τομέας της Φυσικής επιστήμης που ασχολείται με την εφαρμογή των ιδεών, των αρχών και των μεθόδων της Φυσικής στην Ιατρική. Η Φυσική καλύπτει ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών στην Ιατρική που αφορούν την διάγνωση, την θεραπεία και την έρευνα. Η συμβολή της Φυσικής στην Ιατρική είναι εξαιρετικής σημασίας. Αυτό απορρέει από το γεγονός ότι οι περισσότερες σύγχρονες εξελίξεις της Ιατρικής έγιναν με την βοήθεια μεθόδων και τεχνολογιών της Φυσικής, που τελειοποιήθηκαν με την συμβολή της Πληροφορικής. Ορισμένες από τις πιο γνωστές εφαρμογές της Φυσικής στην Ιατρική είναι φυσικά οι διαγνωστικές μέθοδοι όπως οι ακτίνες- Χ, η αξονική τομογραφία, η μαγνητική τομογραφία και οι υπέρηχοι. Η Φυσική βρίσκει εφαρμογή και στις μεθόδους θεραπείας με την χρήση διάφορων μορφών ακτινοβολιών όπως οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γ. Επιπλέον μία πιο σύγχρονη εφαρμογή της είναι η Πυρηνική Ιατρική, στην οποία χρησιμοποιούνται ραδιοϊσότοπα διάγνωση, την παραγωγή ραδιοφαρμάκων και την θεραπεία. για την Η εξέλιξη της τεχνολογίας, των μεθόδων της Φυσικής και της Πληροφορικής σε συνδυασμό με την απαίτηση μικρότερου όγκου και κόστους συσκευών, οδήγησαν στην εξέλιξη των εφαρμογών της Ιατρικής. Μία χαρακτηριστική νέα διαγνωστική εφαρμογή είναι η ποζιτρονιακή τομογραφία (PET) η οποία αν και είναι ακριβή εξέταση, τελικά ελαττώνει το συνολικό κόστος περίθαλψης και πολύ συχνά χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με την αξονική τομογραφία 1. Επίσης γίνονται έρευνες για νέες μεθόδους θεραπείας με ακτινοβολία πρωτονίων, νετρονίων και ιόντων άνθρακα. Η διάγνωση αποτελεί βασικό τομέα της Ιατρικής και η εξέλιξη της είναι πάρα πολύ σημαντική καθώς εξασφαλίζει πιο σωστή θεραπεία. Με την ανάπτυξη όμως των διαγνωστικών μεθόδων δημιουργήθηκε η ανάγκη για καλύτερη ανάλυση των απεικονιστικών δεδομένων, για την εύχρηστη 1 Απόσπασμα από το άρθρο της εφημερίδας Το Βήμα, «Τομογράφος ποζιτρονίων». 7

8 επεξεργασία τους καθώς και για την διαχείριση του πολύ μεγάλου όγκου δεδομένων. Μία εφαρμογή λοιπόν που αναπτύσσεται τώρα και έχει ως στόχο να βελτιώσει την διαγνωστική μέθοδο είναι η σύντηξη εικόνων. 1.2 Σύντηξη ιατρικών εικόνων. Ως σύντηξη εικόνων ορίζεται ο συνδυασμός δύο ή περισσότερων ιατρικών απεικονίσεων, από διαφορετικές απεικονιστικές μεθόδους ή από την ίδια απεικονιστική μέθοδο, αλλά σε διαφορετικούς χρόνους. Η σύντηξη των δεδομένων γίνεται με δύο τρόπους. Ο ένας τρόπος είναι η σύντηξη με την χρήση υβριδικών μηχανημάτων (hardware- based fusion) και ο δεύτερος τρόπος είναι με την χρήση κατάλληλου λογισμικού (software- based fusion). Οι δύο τρόποι που αναφέρθηκαν μπορούν να συνυπάρξουν και να οδηγήσουν σε αποτελέσματα με ακόμα πιο πολύ μεγάλη ακρίβεια. Η σύντηξη με την χρήση υβριδικών μηχανημάτων γίνεται με τον συνδυασμό των απεικονιστικών μεθόδων σε μία συσκευή, η οποία ονομάζεται υβριδική ( hybrid scanner). Η πιο γνωστή συσκευή είναι το PET- CT, στην οποία συνδυάζονται εικόνες βιοχημικών λειτουργιών από το PET με ανατομικές εικόνες από το CT. Κατά την διάρκεια της διαδικασίας ο ασθενής παραμένει ακίνητος στην ίδια θέση. Αυτό σημαίνει ότι η σύντηξη γίνεται πολύ απλά και βασίζεται στις συντεταγμένες του ασθενή ως προς το σύστημα αναφοράς του μηχανήματος. Η διαδικασία αυτή είναι πολύ γρήγορη και ο ασθενής δεν ταλαιπωρείται με παραπάνω από μία επισκέψεις. Επίσης ο συνδυασμός δύο μηχανημάτων σε ένα συμβάλει στην εξοικονόμηση χώρου στα νοσοκομεία. Όμως η εξέταση αυτή προϋποθέτει ότι ο ασθενής θα παραμείνει τελείως ακίνητος κατά την διάρκεια αλλά και στο χρονικό διάστημα ανάμεσα από τις δύο απεικονίσεις. Κάτι τέτοιο όμως δεν είναι εύκολο λόγω των φυσιολογικών κινήσεων του ασθενή όπως είναι η αναπνοή. Τέλος η τήρηση ορισμένων πρωτοκόλλων για την θέση του ασθενούς σε κάθε απεικόνιση μπορεί να μειώσει την ποιότητα του αποτελέσματος. 8

9 Εικόνα 1: Υβριδικό μηχάνημα PET-CT (Hardware- based fusion) Εικόνα 2: Αποτέλεσμα σύντηξης απεικονιστικών δεδομένων PET-CT Ο δεύτερος τρόπος σύντηξης απεικονιστικών δεδομένων, και αυτός που εξετάσαμε στην παρούσα εργασία, είναι με την χρήση λογισμικού. Χρησιμοποιείται είτε για τον συνδυασμό εικόνων από διαφορετικές απεικονιστικές μεθόδους, οι οποίες δεν γίνεται να συνυπάρξουν σε ένα υβριδικό μηχάνημα, όπως για παράδειγμα η σύντηξη MRI-CT, είτε για τον συνδυασμό εικόνων της ίδιας απεικονιστικής μεθόδου που πάρθηκαν με διαφορά ενός σημαντικού χρονικού διαστήματος, για παράδειγμα η σύντηξη CT-CT. 9

10 Σε αυτόν τον τρόπο σύντηξης εικόνων η θέση και το σώμα του ασθενούς μπορούν να αλλάξουν και το αποτέλεσμα βασίζεται στην ευθυγράμμιση των δύο εικόνων με την χρήση του λογισμικού. Η ευθυγράμμιση αυτή μπορεί να είναι είτε αυτοματοποιημένη είτε ήμιαυτοματοποιημένη. Το αποτέλεσμα της σύντηξης εδώ βασίζεται στο λογισμικό,το οποίο θα πρέπει να εύχρηστο και γρήγορο, καθώς και στην εμπειρία του χειριστή, ειδικά όταν πρόκειται για ήμιαυτοματοποιημένη ευθυγράμμιση. Αυτός ο τρόπος σύντηξης έχει πολλά προτερήματα. Αρχικά το κόστος της εφαρμογής είναι χαμηλό. Επιπλέον παρέχει την δυνατότητα να χρησιμοποιήσουμε οποιαδήποτε εικόνα από οποιαδήποτε απεικονιστική μέθοδο. Επίσης εφαρμόζεται για την σύγκριση εικόνων της ίδιας μεθόδου στην πάροδο του χρόνου και την διαπίστωση ύπαρξης προόδου μετά την θεραπεία. Παρόλα αυτά ορισμένες φορές η ποιότητα του αποτελέσματος δεν είναι αρκετά καλή. Εικόνα 3: Λογισμικό καταχώρησης και σύντηξης εικόνων Eclipse Varian 10

11 Εικόνα 4: Αποτέλεσμα σύντηξης απεικονιστικών δεδομένων MRI-CT Μέσα από αυτήν την εργασία θα ακολουθήσουμε την εξέλιξη των διαγνωστικών μεθόδων, μελετώντας τον συνδυασμό δεδομένων από μία αξονική τομογραφία με δεδομένα από μία μαγνητική τομογραφία. Θα αξιολογήσουμε τα αποτελέσματα και θα δούμε αν και κατά πόσο συμβάλει στον καλύτερο σχεδιασμό της ακτινοθεραπευτικής αγωγής. 2. Ακτινοδιαγνωστικές Μέθοδοι 2.1. Εξέλιξη της ακτινοδιάγνωσης. Η ακτινοδιάγνωση είναι ο τομέας της ιατρικής που ασχολείται με τις τεχνικές απεικόνισης του ανθρωπίνου σώματος. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στην ακτινοδιάγνωση είναι πολλές και ποικίλουν ανάλογα με το όργανο ή τον ιστό που πρόκειται να μελετηθεί. Η πρώτη μέθοδος ιατρικής απεικόνισης ήταν οι ακτίνες- Χ, οι οποίες ανακαλύφθηκαν από τον Wilhelm Röntgen το 1895 και χρησιμοποιούνται ευρέως μέχρι σήμερα. Άλλες μέθοδοι είναι η μαγνητική τομογραφία, οι υπέρηχοι, η αξονική τομογραφία και οι πιο σύγχρονες είναι η γάμμα κάμερα και η ποζιτρονιακή τομογραφία που βασίζονται στην πυρηνική ιατρική και την χρήση ραδιοϊσοτόπων, από την κατανομή των οποίων μέσα στον οργανισμό παίρνουμε τις εικόνες. 11

12 Όλες οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στην ιατρική απεικόνιση εξελίσσονται έτσι ώστε να παράγουν συνεχώς πιο αξιόπιστες εικόνες. Η εξέλιξη της ακτινοδιάγνωσης δεν είναι μόνο η τελειοποίηση των μηχανημάτων και η δημιουργία νέων, οικονομικότερων και γρηγορότερων μοντέλων, αλλά και η βελτιστοποίηση των λογισμικών με τα οποία επεξεργάζονται οι εικόνες. Η ανάπτυξη των λογισμικών που χρησιμοποιούνται στην ακτινοδιάγνωση είναι αναγκαία καθώς σχεδόν όλες οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στην ιατρική απεικόνιση παράγουν εικόνες δύο διαστάσεων (2D). Έτσι θα πρέπει να δημιουργηθούν κατάλληλα λογισμικά που να συνδυάζουν πολλές εικόνες από την ίδια διαγνωστική μέθοδο και να παράγουν τρισδιάστατες απεικονίσεις (3D). Επιπλέον κάθε μέθοδος απεικονίζει με περισσότερη ευκρίνεια διαφορετικούς ιστούς και όργανα και χρησιμοποιείται ανάλογα με το τι θέλουμε να μελετήσουμε. Ο συνδυασμός όμως κάποιων μεθόδων δίνει εικόνες που είναι πιο λεπτομερείς, έχουν μεγαλύτερη ευκρίνεια και συμβάλλουν στην καλύτερη αντίληψη της ανατομίας της περιοχής του ανθρωπίνου σώματος που είναι υπό εξέταση. Τέλος η εξέλιξη των λογισμικών επεξεργασίας των ιατρικών απεικονίσεων έχει ως στόχο την σύνδεση διάγνωσης- θεραπείας. Αυτό γίνεται με προγράμματα στα οποία εισέρχεται η τρισδιάστατη εικόνα από την διαγνωστική μέθοδο που χρησιμοποιήθηκε, επεξεργάζεται κατάλληλα και στην συνέχεια λειτουργεί ως οδηγός για την σχεδίαση του πλάνου της θεραπείας. Τα προγράμματα αυτά έχουν την δυνατότητα να προσομοιώνουν την συσκευή της ακτινοθεραπείας, και έτσι μπορούμε να ελέγξουμε την κατεύθυνση της δέσμης της ακτινοβολίας και την κατανομή της δόσης στο όργανο που πρέπει να θεραπευτεί, ούτως ώστε να έχουμε το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. Στην παρούσα εργασία μελετήσαμε τα αποτελέσματα συνδυασμού εικόνων από δύο διαφορετικές απεικονιστικές μεθόδους και συγκεκριμένα της μαγνητικής τομογραφίας με την αξονική τομογραφία, με την χρήση του προγράμματος Eclipse της εταιρίας Varian. Στην συνέχεια αναφέρονται ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά της λειτουργίας και της χρήσης της αξονικής και της μαγνητικής τομογραφίας. 12

13 Με αυτόν τον τρόπο θα γίνει πιο κατανοητή η σπουδαιότητα του συνδυασμού αυτών των δύο απεικονιστικών μεθόδων. 2.2 Αξονική τομογραφία (CT scan) Η αξονική τομογραφία ή υπολογιστική τομογραφία(ct ή CAT 2 ) εισήχθη στην ακτινοδιαγνωστική το 1971 και έκτοτε αποτέλεσε βασικό κομμάτι της ιατρικής διαγνωστικής. Χρησιμοποιείται σε μεγάλο βαθμό γιατί είναι μία γρήγορη εξέταση που δεν ταλαιπωρεί τους ασθενείς, σχετικά Εικόνα 5: Sir Godfrey Newbold Hounsfield ( ) οικονομική και με μεγάλη διακριτική ικανότητα. O πρώτος αξονικός τομογράφος κατασκευάστηκε από τον Godfrey Hounsfield, ο οποίος βραβεύτηκε γι αυτό με το βραβείο Nobel το 1979.Ο αξονικός τομογράφος αποτελείται από την κλίνη όπου τοποθετείται ο ασθενής κατά την διάρκεια της εξέτασης και τον δακτύλιο γύρω από αυτήν. Στον δακτύλιο υπάρχει η πηγή της δέσμης ακτινών Χ η οποία περιστρέφεται γύρω από τον ασθενή και αντιδιαμετρικά της υπάρχει ο ανιχνευτής των ακτινών. Οι ακτίνες Χ διέρχονται από το σώμα του ασθενούς και καταλήγουν στον ανιχνευτή. Η έντασή της δέσμης, δηλαδή το πόσο απορροφήθηκαν οι ακτίνες κατά την διέλευσή τους από το σώμα του ασθενούς, αποτελεί την πληροφορία στην οποία βασίζεται το πρόγραμμα ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή ώστε να υπολογίσει την πυκνότητα των ιστών που εξετάστηκαν. Η εικόνα που λαμβάνουμε από μία εξέταση με αξονικό τομογράφο είναι εγκάρσιες τομές του σώματος, οι οποίες τοποθετούνται η μία πάνω στην άλλη. Με την χρήση κατάλληλου προγράμματος, το οποίο ερμηνεύει την πυκνότητα των ιστών σε διαβαθμίσεις της απόχρωσης του γκρι λαμβάνουμε τελικά μία τρισδιάστατη απεικόνιση στην οθόνη του υπολογιστή. 2 Αρχικά των Computed Tomography και Computerized Axial Tomography αντίστοιχα. 13

14 Εικόνα 6: Λειτουργία αξονικού τομογράφου Η αξονική τομογραφία δίνει πολύ καθαρές εικόνες για τις δομές των οστών. Αυτό συμβαίνει γιατί η απορρόφηση των ακτινών Χ εξαρτάται από την φύση του υλικού. Όσο μεγαλύτερος είναι ο ατομικός αριθμός Ζ των ατόμων του υλικού που απορροφά την ακτινοβολία τόσο μεγαλύτερη είναι η απορρόφηση της. Έτσι τα οστά, τα οποία αποτελούνται από άτομα μεγαλύτερου ατομικού αριθμού όπως το ασβέστιο, απορροφούν περισσότερη ακτινοβολία, ενώ οι ιστοί απορροφούν πολύ λιγότερη. Συνεπώς παίρνουμε μία πολύ λεπτομερή ανατομική δομή. Εκτός όμως από την δομή των οστών στην εικόνα φαίνονται και οι μαλακοί ιστοί καθώς και τα όργανα αρκετά καθαρά. Για μεγαλύτερη ευκρίνεια πολλές φορές χρησιμοποιούνται και διάφορα είδη σκιαστικών ώστε να υπάρχει ακόμα μεγαλύτερη αντίθεση. Το πρώτο όργανο που εξετάστηκε με αξονική τομογραφία ήταν ο εγκέφαλος και στην συνέχεια εφαρμόστηκε και στην σπονδυλική στήλη. Επειδή όμως είχε καλύτερα αποτελέσματα απεικόνισης από τις άλλες μεθόδους που χρησιμοποιούνταν, πολύ γρήγορα άρχισε να εφαρμόζεται και σε άλλες εξετάσεις όπως κοιλίας, πνευμόνων και άλλων. Το γεγονός επίσης ότι η εξέταση είναι αρκετά σύντομη και δεν χρειάζεται προετοιμασία του ασθενή οδήγησε στο να γίνει η αξονική τομογραφία μία από τις πιο σημαντικές ακτινολογικές μεθόδους. Η τελευταία εξέλιξη της αξονικής τομογραφίας είναι η ελικοειδής αξονική τομογραφία (spiral) με την οποία καθίσταται δυνατή η ανακατασκευή των εικόνων σε πολλά επίπεδα, όπως για παράδειγμα μετωπιαία ή λοξά. Παρ όλα αυτά η δόση της ακτινοβολίας που λαμβάνει ο ασθενής κατά την εξέταση είναι αρκετά μεγάλη σε σχέση με άλλες μεθόδους. Οι τυπικές τιμές της δόσης από εξετάσεις αξονικής τομογραφίας είναι της τάξεως των 50mGy 3. Σε σύγκριση με την δόση μίας ακτινογραφίας θώρακος 3 Σύμφωνα με στοιχεία της Ελληνικής Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας. 14

15 που είναι της τάξης των 0,1 mgy παρατηρούμε ότι η ακτινική επιβάρυνση μίας αξονικής τομογραφίας είναι πολύ μεγαλύτερη. Αυτό έχει ως συνέπεια να περιορίζεται αυστηρά η περιοχή του σώματος που εξετάζεται ώστε να μην επιβαρυνθεί ο οργανισμός με επιπρόσθετη δόση. Τέλος ένα ακόμα μειονέκτημα της αξονικής τομογραφίας είναι το γεγονός ότι δεν απεικονίζει καλά τα μαλακά μόρια, όπως το δέρμα, τους μύες, τα νεύρα,τα αγγεία και γενικά τους μαλακούς ιστούς που περιβάλλουν τα οστά. 2.3 Μαγνητική τομογραφία ιστορία μαγνητικής τομογραφίας Η μαγνητική τομογραφία αποτελεί ίσως το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα για την σπουδαιότητα της συμβολής της Φυσικής στην Ιατρική επιστήμη. Το 1946 οι επιστήμονες Felix Bloch στο Stanford και ο Edward Purcell στο Harvard ανακάλυψαν ανεξάρτητα το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (ΝΜR) και βραβεύτηκαν με το βραβείο Nobel Φυσικής για την ανακάλυψή τους αυτή το Το φαινόμενο αυτό περιγράφει την ιδιότητα των πυρήνων να συμπεριφέρονται σαν μαγνήτες. Συγκεκριμένα το φαινόμενο αυτό συμβαίνει όταν πυρήνες ορισμένων ατόμων βρεθούν μέσα σε ομογενές στατικό μαγνητικό πεδίο και διεγείρονται από ένα άλλο ταλαντευόμενο μαγνητικό πεδίο. Το αν θα συμβεί το φαινόμενο NMR στους πυρήνες των ατόμων εξαρτάται από τις μαγνητικές τους ιδιότητες όπως το σπιν. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1950 άρχισε να εφαρμόζεται η φασματοσκοπία ΝΜR 4,που αργότερα μετονομάστηκε σε MRI 5, κυρίως για την μελέτη στοιχείων και χημικών ενώσεων. Στη συνέχεια η εφαρμογή της επεκτάθηκε στην εξέταση ιστών. Προς τα τέλη της δεκαετίας του 1960 έγιναν οι πρώτες έρευνες για την λήψη σημάτων και για τον προσδιορισμό των χρόνων χαλάρωσης σε ιστούς. Το 1972 ο Raymond Damadian ανακάλυψε ότι οι παθολογικοί ιστοί έχουν μεγαλύτερους χρόνους χαλάρωσης σε σχέση με τους αντίστοιχους υγιείς. Βασιζόμενος σε αυτό κατέληξε στο συμπέρασμα ότι είναι δυνατόν να γίνει διάκριση των ιστών και παρήγαγε την πρώτη στην ιστορία απεικόνιση 4 NMR: Nuclear Magnetic Resonance 5 MRI: Magnetic Resonance Imaging 15

16 με μαγνήτη σε ζωντανό ιστό το Παράλληλα με αυτόν εργαζόταν και ο Paul Lauterbur στον ίδιο τομέα. Η επανάσταση στην ιατρική απεικόνιση ήρθε το 1977, όταν οι καθηγητές Damadian, Minkoff και Goldsmith κατασκεύασαν τον πρώτο μαγνητικό τομογράφο και παρήγαγαν την πρώτη ιατρική εικόνα του ανθρωπίνου σώματος. Η διαδικασία της λήψης της εικόνας διήρκησε περίπου 6 ώρες! Έκτοτε μέχρι και σήμερα έχουν κατασκευαστεί πολλά είδη μαγνητικών τομογράφων. Η εξέλιξή τους έχει ως σκοπό την δημιουργία νέων τομογράφων που θα είναι πιο εύχρηστοι, πιο γρήγοροι, μικρότεροι και οικονομικότεροι και φυσικά με μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα. Εικόνα 7: Σχέδιο κατασκευής πρώτου μαγνητικού τομογράφου από τον καθηγητή Damadian Αρχή λειτουργίας μαγνητικού τομογράφου Η λειτουργία του μαγνητικού τομογράφου βασίζεται όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως στο φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Σαν πηγή για την απεικόνιση με μαγνήτη χρησιμοποιείται το υδρογόνο που βρίσκεται στο ανθρώπινο σώμα. Επιλέχθηκε το υδρογόνο για δύο κυρίως λόγους. Πρώτον γιατί βρίσκεται σε αφθονία στο ανθρώπινο σώμα και δεύτερον γιατί έχει την μεγαλύτερη τιμή γυρομαγνητικού λόγου από οποιοδήποτε άλλο στοιχείο. Ως γυρομαγνητικό λόγο του σπιν ορίζουμε τον λόγο της μαγνητικής ροπής του στοιχείου λόγω του σπιν προς την μηχανική του ροπή λόγω του σπιν, δηλαδή την στροφορμή του και μαθηματικά δίνεται από την σχέση [ ]. Όταν τοποθετηθεί ένας άνθρωπος μέσα σε ένα ισχυρό, ομογενές και στατικό πεδίο με μαγνητική ροή Β 0,τότε οι πυρήνες των ατόμων του υδρογόνου, δηλαδή τα πρωτόνια, συμπεριφέρονται σαν μικρά μαγνητικά δίπολα και τείνουν να ευθυγραμμίζονται παράλληλα ή αντιπαράλληλα με τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου. Κατά την ευθυγράμμιση τα πρωτόνια εκτελούν μία μεταπτωτική κίνηση, δηλαδή ταλαντώνονται περιστρέφονται γύρω από τον άξονα των μαγνητικών γραμμών με μία 16

17 συγκεκριμένη συχνότητα η οποία ονομάζεται συχνότητα Larmor και είναι χαρακτηριστική για κάθε στοιχείο. Η συχνότητα Larmor είναι [MHz], όπου γ ο γυρομαγνητικός λόγος του σπιν και Β 0 η μαγνητική ροή με διεύθυνση προς τα θετικά του άξονα z. Όταν τα πρωτόνια ευθυγραμμιστούν με τις μαγνητικές γραμμές του πεδίου τότε βρίσκονται σε κατάσταση ηρεμίας και το διάνυσμα της μαγνήτισης τους είναι παράλληλο στο διάνυσμα Β 0. Αφού έχουν ευθυγραμμιστεί τα πρωτόνια με το μαγνητικό πεδίο Β 0, στέλνεται ένας παλμός RF 90 στο επίπεδο xy με μία συγκεκριμένη συχνότητα Larmor. Μόνο τα πρωτόνια που έχουν την ίδια ιδιοσυχνότητα με αυτή του παλμού ανταποκρίνονται σε αυτόν. Οι πυρήνες αυτοί απορροφούν την ηλεκτρομαγνητική ενέργεια και αρχίζουν να περιστρέφονται. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται συντονισμός. Κατά τον συντονισμό το διάνυσμα Μ z μετακινείται στο επίπεδο xy και επειδή όλα τα πρωτόνια κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση λέμε ότι έρχονται σε φάση. Έτσι μπορούμε να θεωρήσουμε ότι τα διανύσματα της μαγνήτισης αθροίζονται και έχουμε ένα συνολικό Μ xy. Όταν σταματήσει ο παλμός τότε τα πρωτόνια τείνουν να επιστρέψουν στην κατάσταση ισορροπίας, η οποία είναι η χαμηλότερη ενεργειακά κατάσταση, τείνουν δηλαδή να ευθυγραμμιστούν με το ομογενές μαγνητικό πεδίο. Η φάση αυτή ονομάζεται χαλάρωση. Καθώς συμβαίνει αυτό οι πυρήνες εκπέμπουν ενέργεια σε μορφή θερμότητας και ραδιοκυμάτων έως ότου το διάνυσμα της μαγνήτισης να γίνει πάλι παράλληλο με τον άξονα z. Το αδύναμο εκπεμπόμενο σήμα ραδιοκυμάτων είναι το σήμα του μαγνητικού συντονισμού το οποία λαμβάνουμε. Με αυτά τα σήματα κατασκευάζεται η εικόνα της μαγνητικής τομογραφίας. Για να προσδιοριστεί η περιοχή του ανθρωπίνου σώματος από την οποία εκπέμπονται τα σήματα που λαμβάνουμε αλλάζουμε τοπικά την ισχύ του βασικού μαγνητικού πεδίου με την χρήση βαθμιδωτών πεδίων. Αυτό προκαλεί μία μικρή αλλαγή στην συχνότητα συντονισμού των πυρήνων υδρογόνου και σε συνδυασμό με την εφαρμογή των παλμών προσδιορίζουμε με ακρίβεια την θέση της υπό μελέτη περιοχής. 17

18 Εικόνα 8: Ευθυγράμμιση των πρωτονίων κατά την εφαρμογή εξωτερικού ομογενούς μαγνητικού πεδίου Χρόνοι ηρεμίας Ακολουθίες. Μελετώντας τον παλμό ραδιοκυμάτων που εκπέμπεται από τους πυρήνες υδρογόνου κατά την φάση χαλάρωσης διακρίνουμε δύο είδη χρόνων ηρεμίας. Ο κάθε ένας από αυτούς μας δίνει μία διαφορετική εικόνα της ίδιας περιοχής που εξετάζουμε. Αφού σταματήσει ο παλμός RF τα πρωτόνια θα τείνουν να ευθυγραμμιστούν και πάλι με το κυρίως μαγνητικό επίπεδο B 0. Αυτό σημαίνει ότι το διάνυσμα της μαγνήτισης Μ θα αρχίσει να μετακινείται από το επίπεδο xy στο επίπεδο z. Επίσης τα πρωτόνια κατά την επαναφορά τους, λόγω της μεταξύ τους αλληλεπίδρασης αλλά και μερικών ανομοιογενειών του κυρίως μαγνητικού πεδίου, παύουν να είναι σε φάση. Ο χρόνος ηρεμίας Τ 1 είναι ο χρόνος που χρειάζεται ώστε η Μ z φτάσει στο 63% της αρχικής. Τα πρωτόνια που είναι ισχυρά συνδεδεμένα, όπως για παράδειγμα σε λιπώδεις ιστούς, θα απελευθερώνουν την ενέργεια πολύ πιο γρήγορα από τα γύρω τους που είναι πιο χαλαρά συνδεδεμένα. Η διαδικασία κατά την οποία οι πυρήνες υδρογόνου πάνε από την κατάσταση πλήρης φάσης σε κατάσταση αφασίας ονομάζεται Τ 2.Ο χρόνος ηρεμίας Τ 2 ορίζεται ως ο χρόνος στον οποίο τα σπιν διαφέρουν κατά 37% από την αρχική τιμή. Οι διαδικασίες Τ 1 και Τ 2 είναι δύο εντελώς διαφορετικές διαδικασίες που γίνονται αυθαίρετα. Η διαδικασία Τ 1 περιγράφει τι συμβαίνει στον άξονα z, ενώ η διαδικασία Τ 2 τι συμβαίνει στο επίπεδο xy. Επίσης η Τ 2 είναι πολύ πιο γρήγορη διαδικασία από την Τ 1. Τέλος όταν οι πυρήνες να 18

19 επανέλθουν στην κατάσταση ισορροπίας, αποδώσουν δηλαδή όλη την ενέργειά τους σε χρόνο Τ 1 τότε παύουν όλες οι ενεργειακές διαδικασίες και αυτό έχει ως αποτέλεσμα να μην μπορεί να συνεχιστεί η διαδικασία Τ 2. Εικόνα 9: Χρόνος ηρεμίας Τ1 Εικόνα 10: Χρόνος ηρεμίας Τ2 Η εικόνα που παράγεται στην μαγνητική τομογραφία βασίζεται στους χρόνους ηρεμίας. Σε Τ 2 εικόνες οι ιστοί που έχουν μεγάλο χρόνο χαλάρωσης Τ 2 δίνουν pixel με μεγαλύτερη φωτεινότητα ενώ οι Τ 1 εικόνες 19

20 έχουν ανάστροφη αντίθεση. Δηλαδή οι περιοχές με υψηλό χρόνο Τ1 δίνουν το πιο αδύναμο σήμα και εμφανίζονται ως σκοτεινές περιοχές ενώ ιστοί με μικρής διάρκειας Τ1 αποδίδονται στην εικόνα με pixel μεγαλύτερης φωτεινότητας Είδαμε παραπάνω ότι ο ρυθμός με τον οποίο απελευθερώνεται η ενέργεια σχετίζεται με το πόσο ισχυρά είναι συνδεδεμένα τα πρωτόνια, συνεπώς και με την πυκνότητα των πρωτονίων σε μία περιοχή. Οι εικόνες που δημιουργούνται ανάλογα με την πυκνότητα των πρωτονίων,δηλαδή την συγκέντρωση υδρογόνου στην υπό εξέταση περιοχή ονομάζονται PD. Συγκεκριμένα οι ιστοί που έχουν χαμηλή πυκνότητα πρωτονίων έχουν μικρής διάρκειας Μ z και συνεπώς παράγουν ασθενές σήμα, το οποίο εμφανίζεται στην εικόνα ως σκοτεινή περιοχή. Οι ιστοί όμως που έχουν μεγάλη πυκνότητα πρωτονίων, έχουν μεγάλο Μ z και στην εικόνα φαίνεται ως φωτεινή περιοχή. Συμπερασματικά η αντίθεση στις εικόνες μαγνητικής τομογραφίας βασίζεται στους χρόνους Τ1, Τ2 και στην πυκνότητα των πρωτονίων. Οι παλμοί ραδιοκυμάτων που χρησιμοποιούνται ώστε να περιστραφούν τα πρωτόνια στον συντονισμό, εάν είναι μεμονωμένοι κατά την διαδικασία χαλάρωσης μας δίνουν έναν αδύναμο παλμό ο οποίος είδαμε ότι φθίνει γρήγορα λόγω της Τ 2 και έτσι δεν θα ήταν δυνατή η παραγωγή εικόνας. Η λύση αυτού του προβλήματος είναι να στέλνονται ακολουθίες παλμών και όχι μεμονωμένοι παλμοί. Συνοπτικά οι ακολουθίες που χρησιμοποιούνται είναι: Οι βασικές ακολουθίες, πάνω στις οποίες βασίζονται όλα τα άλλα είδη παλμοσειρών. Η πιο χαρακτηριστική είναι η SE 6 ακολουθία στην οποία μετά τον παλμό διέγερσης 90 των πρωτονίων ακολουθεί ένας παλμός 180. Υπάρχει επίσης και η dual echo ακολουθία στην οποία μετά τον παλμό διέγερσης ακολουθούν 2 παλμοί 180. Η ακολουθία Inversion Recovery η οποία ανήκει στις βασικές ακολουθίες. Σε αυτήν ο πρώτος παλμός είναι 180 και αναστρέφει το διάνυσμα μαγνήτισης στον άξονα z. Στην συνέχεια μετά από ένα χρονικό διάστημα που ονομάζεται ΤΙ 7 δηλαδή χρόνος αναστροφής, ακολουθεί ένας δεύτερος παλμός 90 ο οποίος επαναφέρει τη 6 SE: Spin Echo 7 ΤΙ: Inversion Time 20

21 μαγνήτιση στο επίπεδο xy. Μετά εφαρμόζεται και ένας τρίτος παλμός 180 και έτσι δημιουργείται ένα σήμα SE. Ανάλογα με τον χρόνο αναστροφής διακρίνουμε δύο είδη IR ακολουθιών. Την STIR που για σύστημα 1,5Τ έχει χρόνο ΤΙ =160 ms και είναι ιδανική για να μειώσουμε το σήμα που προέρχεται από λιπώδη ιστό και την FLAIR, η οποία για το ίδιο σύστημα έχει χρόνο ΤΙ= 2000ms και χρησιμοποιείται για την εξέταση ασθενειών όπως η σκλήρυνση κατά πλάκας. Οι ταχείες ακολουθίες οι οποίες έχουν ως στόχο να μειωθεί ο χρόνος λήψης της εικόνας και ταυτόχρονα να γίνει καλύτερη η ποιότητά της. Η FSE 8 είναι μια πολύ ταχύτερη εκδοχή των συμβατικών spin echo σημάτων. Oι εξελιγμένες ακολουθίες παλμοσειρών, οι οποίες χρησιμοποιούνται όταν πρέπει να μελετηθούν ιδιαίτερες λειτουργίες του ανθρώπινου σώματος. Η πιο χαρακτηριστική είναι η αγγειογραφία, δηλαδή η απεικόνιση της ροής αίματος στις αρτηρίες και τις φλέβες του σώματος Δομή μαγνητικού τομογράφου. Ο πρώτος μαγνητικός τομογράφος κατασκευάστηκε το 1977 και από τότε μέχρι σήμερα εξελίσσεται συνεχώς. Το βασικό τμήμα ενός μαγνητικού τομογράφου είναι ο κύριος μαγνήτης ο οποίος δημιουργεί το ομογενές, στατικό πεδίο. Στους σύγχρονους μαγνητικούς τομογράφους χρησιμοποιούνται τρεις τύποι μαγνητών. Αυτοί είναι οι μόνιμοι μαγνήτες, οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες και οι μαγνήτες αντιστάσεως. Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες είναι αυτοί που χρησιμοποιούνται πιο πολύ και αυτό γιατί δημιουργούν ισχυρά μαγνητικά πεδία, αρκετά ομοιογενή και έχουν σχετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Εκτός από τον κύριο μαγνήτη, ο μαγνητικός τομογράφος έχει άλλα 4 είδη πηνίων. Τα πηνία βαθμίδας με τα οποία γίνεται ο προσδιορισμός της περιοχής που απεικονίζεται, τα πηνία εξομάλυνσης τα οποία έχουν ως σκοπό να κάνουν το πεδίο όσο πιο ομοιογενές γίνεται, τα πηνία ραδιοσυχνότητας απ όπου εκπέμπονται οι παλμοί και ανιχνεύονται τα σήματα και τέλος πηνία επιφανείας με τα οποία διεγείρονται πυρήνες 8 FSE: Fast Spin Echo 21

22 υδρογόνου μίας συγκεκριμένης περιοχής του ανθρωπίνου σώματος που έχει επιλεχθεί. Ο βασικός μαγνήτης και τα 4 πηνία βρίσκονται στο κυρίως σώμα του μηχανήματος. Τέλος όλα τα σήματα λαμβάνονται από έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή στον οποίο γίνεται η ανακατασκευή της εικόνας. Εικόνα 11:Δομή μαγνητικού τομογράφου. Η μαγνητική τομογραφία αποτέλεσε επανάσταση στην διαγνωστική γιατί εξασφαλίζει την μεγάλη διακριτική ικανότητα και κυρίως σε μαλακούς ιστούς, καθώς και το γεγονός ότι ο ασθενής δεν εκτίθεται σε ιοντίζουσα ακτινοβολία. Με την μαγνητική τομογραφία μπορούν να διακριθούν έγκαιρα βιοχημικές βλάβες πριν αυτές προκαλέσουν κάποια κακοήθεια, καθώς και να παρατηρηθεί εάν υπάρχει πρόοδος έπειτα από θεραπεία. Εφαρμόζεται σε όλες τις ανατομικές περιοχές και λόγω της μη επιβάρυνσης του ασθενή μπορεί να επαναληφθεί αρκετές φορές. Είναι ανώδυνη, μη επεμβατική και σχετικά γρήγορη διαδικασία. Από την άλλη μεριά όμως ο μαγνητικός τομογράφος είναι ένα πολύ ακριβό μηχάνημα και έχει μεγάλο κόστος λειτουργίας, γεγονός που αυξάνει και την τιμή της εξέτασης. Επίσης είναι ένα αρκετά ογκώδες μηχάνημα και λόγω των ισχυρών μαγνητικών πεδίων που δημιουργούνται κατά την λειτουργία του θα πρέπει να βρίσκεται σε έναν ειδικό χώρο. 22

23 3. Καταχώρηση και σύντηξη των εικόνων 3.1 Ορισμός και μέθοδοι καταχώρησης Η σύντηξη ιατρικών απεικονιστικών δεδομένων δεν μπορεί να γίνει χωρίς πρώτα οι εικόνες να έχουν υποστεί κάποια τροποποίηση έτσι ώστε να είναι ευθυγραμμισμένες. Κάτι τέτοιο είναι αναγκαίο γιατί κατά την διαδικασία της σύντηξής τους θα πρέπει οι κοινές ανατομικές δομές από διαφορετικές εικόνες, τα περιγράμματα των εικόνων καθώς και η αμοιβαία πληροφορία τους να ταυτίζονται. Ως καταχώρηση των εικόνων 9 ονομάζουμε την τροποποίηση ορισμένων χαρακτηριστικών μίας εικόνας έτσι ώστε να ευθυγραμμιστεί με μία άλλη εικόνα την οποία ονομάζουμε εικόνα αναφοράς, να αποκτήσουν δηλαδή ένα κοινό σύστημα συντεταγμένων. Είναι πολύ σημαντική διαδικασία και χωρίς αυτήν δεν θα ήταν εφαρμόσιμη η σύντηξη των εικόνων. Η καταχώρηση των εικόνων θεωρείται αναγκαία καθώς τα δεδομένα που θα παρθούν από έναν ασθενή είτε με την ίδια απεικονιστική μέθοδο είτε με διαφορετικές, μπορούν να διαφέρουν μεταξύ τους. Αυτό συμβαίνει γιατί είναι εξαιρετικά δύσκολο να ακινητοποιήσουμε εντελώς έναν ασθενή στην ίδια θέση για τον χρόνο που διαρκεί η εξέταση. Το πρόβλημα αυτό εμφανίζεται ιδιαίτερα όταν χρειάζεται να πάρουμε εικόνες με διαφορετικές ακτινοδιαγνωστικές μεθόδους που δεν μπορούν να συνδυαστούν σε ένα μηχάνημα, όπως CT και MRI, και ο ασθενής θα πρέπει να μετακινηθεί. Θα πρέπει επίσης να λάβουμε υπόψη μας τις φυσικές κινήσεις του ασθενούς, όπως είναι η αναπνοή, που μπορούν να μεταβάλλουν την εικόνα που παίρνουμε. Τέλος κατά την διάρκεια της εξέτασης θα πρέπει να τηρούνται ορισμένα πρωτόκολλα για την θέση του ασθενούς κατά την διάρκεια της εξέτασης. Για παράδειγμα μπορεί σε μία μαγνητική τομογραφία ο ασθενής να πρέπει να έχει τα χέρια δίπλα στο σώμα ενώ στην αντίστοιχη αξονική θα πρέπει τα χέρια του να τοποθετηθούν πάνω από το κεφάλι. Υπάρχουν πολλοί μέθοδοι καταχώρησης εικόνων και ανάλογα με τα δεδομένα που έχουμε χρησιμοποιούμε την καταλληλότερη. Ορισμένες από αυτές είναι ο γεωμετρικός μετασχηματισμός, που αποτελεί την πιο συνηθισμένη μέθοδο καταχώρησης, η καταχώρηση με βάση κοινά σημείαδομές, η καταχώρηση η οποία βασίζεται στην ανάλυση και την αντιστοιχία της έντασης των pixel και των voxel 10 και άλλες. Η καταχώρηση μπορεί να γίνει αυτόματα ή χειροκίνητα ή με συνδυασμό και των δύο. Παρακάτω θα γίνει αναφορά στις μεθόδους καταχώρησης και που χρησιμοποιούνται. 9 Γνωστή και ως Image registration. 10 Ο ορισμός των pixel και voxel δίνεται στην σελίδα

24 3.2 Γεωμετρικοί μετασχηματισμοί. Kατά την ευθυγράμμιση δύο εικόνων με γεωμετρικό μετασχηματισμό, η μία λαμβάνεται ως εικόνα αναφοράς ( ) και η άλλη αποτελεί την ως προς ευθυγράμμιση εικόνα ( ). Η μέθοδος που θα χρησιμοποιηθεί προσδιορίζεται από το γεγονός ότι θα πρέπει η νέα εικόνα που θα προκύψει μετά την εφαρμογή ενός μετασχηματισμού Τ, να είναι ( ( )) ( ) ( ) και στην θέση αυτή έχει την ίδια ανατομική πληροφορία με την εικόνα αναφοράς ( ) Ο μετασχηματισμός μπορεί να είναι είτε ολικός είτε τοπικός. Μπορούμε δηλαδή να τον εφαρμόσουμε σε όλη την εικόνα ή μόνο σε ένα σημείο που μας ενδιαφέρει. Οι γεωμετρικοί μετασχηματισμοί διακρίνονται σε συμπαγείς και μη συμπαγείς ανάλογα με την «ελαστικότητά» τους. Οι μη συμπαγείς μετασχηματισμοί περιέχουν πολλές κατηγορίες μετασχηματισμών τους οποίους θα δούμε στην συνέχεια Συμπαγείς μετασχηματισμοί (rigid) Οι συμπαγείς γεωμετρικοί μετασχηματισμοί έχουν την χαρακτηριστική ιδιότητα ότι διατηρούν αναλλοίωτο το σχήμα των αντικειμένων. Οι συμπαγείς μετασχηματισμοί είναι η μετατόπιση και η περιστροφή. Εφόσον οι εικόνες είναι σε 3 διαστάσεις το διάνυσμα της μετατόπισης t θα είναι κ αυτό σε 3 διαστάσεις και οι συνιστώσες του θα είναι οι t x, t y, t z σε καρτεσιανές συντεταγμένες. Η περιστροφή αναλύεται και αυτή σε 3 συνιστώσες σε μορφή πινάκων, τις R X,R Y, R Z και αντιπροσωπεύουν την περιστροφή γύρω από κάθε άξονα αντίστοιχα. Το γινόμενο των συνιστωσών της περιστροφής δίνει τον 3Χ3 πίνακα περιστροφής R. Επομένως ένα σημείο x μετά την επίδραση ενός συμπαγή μετασχηματισμού θα μετατραπεί σε ένα σημείο x. Αυτό εκφράζεται μαθηματικά με την παρακάτω σχέση: Μπορεί επίσης να γραφτεί και με την μορφή πινάκων ως εξής: [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] Μη συμπαγείς μετασχηματισμοί (non rigid) Ως μη συμπαγείς μετασχηματισμούς εννοούμε όλους τους υπόλοιπους μετασχηματισμούς που δεν είναι συμπαγείς. Συνεπώς όπως αναφέρθηκε και παραπάνω οι μη συμπαγείς μετασχηματισμοί περιέχουν 24

25 πολλές υποκατηγορίες μετασχηματισμών. Παρακάτω θα δούμε αναλυτικά τα είδη αυτά Μετασχηματισμός κλίμακας. Αυτού του τύπου ο μετασχηματισμός επιφέρει την αλλαγή των διαστάσεων της εικόνας, δηλαδή μεγαλώνει ή μικραίνει την εικόνα κατά τους άξονες x,y εάν είναι σε δύο διαστάσεις ή κατά τους άξονες x,y,z εάν είναι σε τρεις διαστάσεις. Ο μετασχηματισμός κλίμακας περιγράφεται από έναν διαγώνιο πίνακα, όπου τα στοιχεία της διαγωνίου δείχνουν την μεταβολή σε κάθε άξονα. Συγκεκριμένα: [ ] εάν η εικόνα είναι δισδιάστατη και [ ] εάν είναι τρισδιάστατη Μετασχηματισμός τύπου Affine. Ο μετασχηματισμός αυτός έχει την ιδιότητα να διατηρεί τις ευθείες γραμμές ως έχουν και συγχρόνως να διατηρεί την παραλληλία τους. Είναι πολύ χρήσιμος κυρίως για εικόνες που έχουν υποστεί κάποια παραμόρφωση ή αλλοίωση κατά την διάρκεια της λήψης τους. Ο μετασχηματισμός κλίμακας μπορεί να θεωρηθεί και ένα είδος μετασχηματισμού τύπου Affine. Αυτό το είδος μετασχηματισμού μπορεί να αναλυθεί σε έναν γραμμικό μετασχηματισμό και μία μετατόπιση. Για μία τρισδιάστατη εικόνα μπορεί να περιγραφεί με την εξίσωση σε μορφή πινάκων ως εξής : [ ] [ ] [ ] εάν η εικόνα είναι τρισδιάστατη Προβολικός μετασχηματισμός. Ο προβολικός μετασχηματισμός ή μετασχηματισμός προοπτικής διατηρεί και αυτός τις ευθείες γραμμές από την μία εικόνα στην άλλη όμως δεν διατηρείται απαραίτητα και η παραλληλία τους. Χρησιμοποιείται κυρίως σε εικόνες δύο διαστάσεων για την ευθυγράμμιση τους με τρισδιάστατες εικόνες. 25

26 Καμπυλόγραμμος μετασχηματισμός. Οι καμπυλόγραμμοι μετασχηματισμοί δεν διατηρούν τις γραμμές ευθείες αλλά τις απεικονίζουν ως καμπύλες γραμμές. Οι πιο απλοί μετασχηματισμοί αυτού του είδους είναι οι πολυωνυμικοί μετασχηματισμοί που δίνονται από σχέσεις της μορφής: και αντίστοιχα για τα y και z. Στην τελευταία σχέση όπου είναι το τρισδιάστατο διάνυσμα και τα I,J,K δηλώνουν την τάξη του πολυωνύμου. Όσο μεγαλύτερη είναι η τάξη του πολυωνύμου, τόσες περισσότερες θα πρέπει να είναι και οι παράμετροι ώστε να εξασφαλιστεί πιο ακριβές αποτέλεσμα. Το γεγονός αυτό όμως καθιστά αυτόν τον μετασχηματισμό αρκετά περίπλοκο. Χαρακτηριστικοί μετασχηματισμοί αυτού του είδους είναι οι διγραμμικοί για δεδομένα σε δύο διαστάσεις και οι τριγραμμικοί για τρισδιάστατες απεικονίσεις, οι οποίοι διατηρούν ευθείες μόνο τις οριζόντιες και τις κάθετες γραμμές, ενώ ταυτόχρονα μετατρέπουν όλες τις άλλες γραμμές σε καμπύλες. Στην συνέχεια ακολουθεί ο Πίνακας 1, ο οποίος έχει σχηματικά όλους τους γεωμετρικούς μετασχηματισμούς που είδαμε παραπάνω. 26

27 27

28 3.3 Καταχώρηση με βάση κοινά σημεία-δομές. Η ευθυγράμμιση των απεικονιστικών δεδομένων μπορεί να γίνει και με βάση κοινά σημεία και δομές ανάμεσα στις δύο εικόνες. Τα κοινά σημεία αυτά μπορεί να είναι είτε εξωγενή είτε ενδογενή και η καταχώρηση με αυτή τη μέθοδο γίνεται σε συνδυασμό με τους γεωμετρικούς μετασχηματισμούς που αναφέρθηκαν παραπάνω, ώστε να επιτευχθεί καλύτερο αποτέλεσμα. Οι εξωγενείς παράγοντες χρησιμοποιούνται κυρίως όταν παίρνουμε εικόνες με την ίδια ακτινοδιαγνωστική μέθοδο με κάποιο χρονικό διάστημα ενδιάμεσα, έτσι το σύστημα συντεταγμένων των δύο εικόνων είναι ήδη κοινό και είναι το σύστημα συντεταγμένων του μηχανήματος. Τα κοινά σημεία αυτά θα μπορούσαν να είναι σημάδια στο δέρμα του ασθενούς, ώστε να τοποθετηθεί ακριβώς στην ίδια θέση για την νέα λήψη. Θα μπορούσε να είναι επίσης και κάποιο στερεοτακτικό πλαίσιο ή κάποιο καλούπι, όπως για παράδειγμα η θερμοπλαστική μάσκα για το κεφάλι. Τα ενδογενή κοινά σημεία είναι φυσικά ανατομικές δομές, οι οποίες να είναι εύκολα αναγνωρίσιμες και στις δύο εικόνες. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται ιδιαίτερα όταν τα δεδομένα είναι από διαφορετικές ακτινοδιαγνωστικές μεθόδους, όπως για παράδειγμα για την ευθυγράμμιση εικόνας από αξονικό τομογράφο με εικόνα από μαγνητικό τομογράφο. Τα κοινά σημεία αυτά ονομάζονται σημεία αναφοράς και τα αντίστοιχα σημεία στην προς ευθυγράμμιση εικόνα θα πρέπει να ταυτιστούν με αυτά. Τέτοια σημεία είναι για παράδειγμα τα οστά και το δέρμα. Τα λογισμικά επεξεργασίας των δεδομένων διαθέτουν κατάλληλους αλγόριθμους με τους οποίους γίνεται η ταύτιση των σημείων, δηλαδή η ευθυγράμμιση των εικόνων και υπολογίζονται τα σφάλματα. Σε ορισμένα λογισμικά τα σφάλματα που δίνονται είναι το μέγιστο και το ελάχιστο σφάλμα κατά μέσο όρο και όχι το σφάλμα για κάθε σημείο ξεχωριστά. Η μέθοδος αυτή μπορεί να είναι αυτόματη και να εφαρμόζεται ο αλγόριθμος του λογισμικού αμέσως ή ημιαυτόματη-χειροκίνητη όπου ο χειριστής είτε καθορίζει τα σημεία αναφοράς είτε καθορίζει τον αλγόριθμο που πρέπει να χρησιμοποιηθεί. Γενικά η εφαρμογή αυτής της μεθόδου απαιτεί εμπειρία του χρήστη και καλή γνώση των ανατομικών δομών. Επίσης εφαρμόζεται με δυσκολία όταν κάποια από τις εικόνες δεν έχει καλή ανάλυση και οι ανατομικές δομές δεν είναι ευδιάκριτες. 3.4 Καταχώρηση με βάση την ένταση των pixel-voxel. Η τελευταία και πιο διαδεδομένη μέθοδος καταχώρησης εικόνων είναι με βάση την ένταση των pixel και των voxel των εικόνων. Ένα υπολογιστικό σύστημα αντιλαμβάνεται μία εικόνα ως ένα σύνολο δεδομένων. Το στοιχειώδες τμήμα μίας δισδιάστατης εικόνας που 28

29 θεωρείται το μικρότερο πλήρες δείγμα μιας εικόνας ονομάζεται εικονοστοιχείο ή pixel. Το αντίστοιχο για τρισδιάστατες εικόνες είναι το voxel. Εικόνα 12: Pixel Εικόνα 13: Voxel Η πληροφορία που λαμβάνεται κατά την ακτινοδιαγνωστική εξέταση απεικονίζεται είτε σε δισδιάστατη είτε σε τρισδιάστατη εικόνα σε κλίμακα με αποχρώσεις του γκρι, με ελάχιστο το μαύρο και μέγιστο το λευκό. Για παράδειγμα στην αξονική τομογραφία όσο μεγαλύτερη είναι η απορρόφηση της ακτινοβολίας σε ένα σημείο, τόσο πιο πολύ τείνει στο λευκό το pixel που αντιπροσωπεύει το συγκεκριμένο σημείο. Η καταχώρηση με αυτή τη μέθοδο χρησιμοποιεί την κλίμακα απόχρωσης του γκρι και υπολογίζεται άμεσα η ομοιότητα μεταξύ των δεδομένων. Δημιουργείται έτσι μία συνάρτηση αμοιβαίας πληροφορίας, η οποία είναι μία μετρική της εντροπίας των δύο εικόνων και όταν οι δύο εικόνες ευθυγραμμίζονται, αυτή αποκτά την μέγιστη τιμή της. Η εντροπία της εικόνας είναι η ελάχιστη τιμή φωτεινότητας για την κωδικοποίηση μίας εικόνας και υπολογίζεται από την εξίσωση Shannon:, όπου k είναι ο αριθμός των διαφορετικών τιμών φωτεινότητας που υπάρχουν στην εικόνα και P k η πιθανότητα να εμφανιστεί η τιμή της πιθανότητας k. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ιδιαίτερα όταν πρόκειται να ευθυγραμμίσουμε εικόνες από διαφορετικές ακτινοδιαγνωστικές μεθόδους, μπορεί να εμφανιστεί το πρόβλημα ότι μία περιοχή στο τμήμα που εξετάζουμε φαίνεται καθαρά μόνο στην μία από τις δύο εικόνες. Για παράδειγμα σε μία αξονική και μία μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου, ένας όγκος φαίνεται πολύ καθαρά στην μαγνητική ενώ αμυδρά στην αξονική τομογραφία και αυτό μπορεί να προκαλέσει σύγχυση στην συνάρτηση ταιριάσματος. Όταν συμβαίνει κάτι παρόμοιο η ευθυγράμμιση των δύο εικόνων βασίζεται στην περιοχή γύρω από το κομμάτι που δυσκολεύει την ευθυγράμμιση. 29

30 3.5 Σύντηξη εικόνων. Η καταχώρηση και η ευθυγράμμιση των εικόνων αποτελεί το βήμα για να φτάσουμε στην σύντηξη των εικόνων. Όπως αναφέραμε και σε προηγούμενο κεφάλαιο η σύντηξη είναι η ταυτόχρονη απεικόνιση δύο εικόνων σε μία. Μετά την ευθυγράμμιση των εικόνων γίνεται η ταύτισή τους και έτσι προκύπτει η νέα εικόνα η οποία έχει ως βάση την εικόνα αναφοράς και πάνω της βρίσκεται,συνήθως με την μορφή διαφάνειας, η εικόνα που είχε ευθυγραμμιστεί. Ανάλογα με το υπολογιστικό σύστημα που χρησιμοποιείται η εικόνα που παίρνουμε μπορεί να έχει διάφορες μορφές. Για παράδειγμα η ευθυγραμμισμένη εικόνα συχνά χρωματίζεται ώστε να ξεχωρίζει από την εικόνα αναφοράς. Υπάρχουν επίσης εργαλεία που χωρίζουν την εικόνα σε τμήματα και κάθε τμήμα εμφανίζει την εικόνα αναφοράς και την ευθυγραμμισμένη εικόνα εναλλάξ. Το εργαλείο αυτό ονομάζεται σκακιέρα. Στο επόμενο κεφάλαιο θα παρουσιαστούν όλα τα εργαλεία που είχαμε στην διάθεσή μας με την εφαρμογή που χρησιμοποιήσαμε στο πειραματικό μέρος της εργασίας. Οι συνδυασμοί σύντηξης εικόνων είναι απεριόριστοι. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε απεικονιστική μέθοδο χωρίς κάποιον περιορισμό. Συνεπώς μπορούμε να έχουμε σύντηξη CT-CT, PET-CT, CT-MRI,PET-MRI, MRI-MRI. Η σύντηξη CT-CT χρησιμοποιείται όταν χρειάζεται να παρατηρηθεί εάν υπάρχει πρόοδος του ασθενή, μετά από ένα διάστημα θεραπείας. Εφαρμόζεται επίσης και σε περιπτώσεις όπου ο ασθενής έχει υποβληθεί σε χειρουργείο για την αφαίρεση κάποιου όγκου με συνέπεια να προκληθεί αλλαγή στο σχήμα της περιοχής όπου υπήρχε ο όγκος. Συνήθως κατά την ευθυγράμμιση ως εικόνα αναφοράς λαμβάνεται η παλαιότερη χρονικά εικόνα. Οι συντήξεις PET-CT και PET-MRI είναι ένας συνδυασμός εικόνων με διαφορετικές πληροφορίες. Είναι γνωστό ότι οι μαγνητικές και οι αξονικές τομογραφίες δίνουν λεπτομερώς την ανατομική δομή, ενώ αντιθέτως το ΡΕΤ δίνει πληροφορίες για την βιοχημική λειτουργία του οργανισμού. Επομένως συνδυάζοντας εικόνες από το καθένα μπορούμε να έχουμε μία πολύ πιο ακριβή γνώση για την περιοχή που εξετάζουμε και ακόμα να ανακαλύψουμε κάποια δυσλειτουργία του οργανισμού που μπορεί να μην φαίνεται σε κάποια από τις δύο εξετάσεις. Σε αυτές τις δύο περιπτώσεις λαμβάνεται ως εικόνα αναφοράς η εικόνα από την αξονική ή την μαγνητική τομογραφία αντίστοιχα και η προς ευθυγράμμιση εικόνα είναι αυτή από το ΡΕΤ. Το αποτέλεσμα της σύντηξης είναι η εικόνα αναφοράς ως βάση και επάνω σαν χρωματισμένη διαφάνεια η εικόνα από το ΡΕΤ. 30

31 Η σύντηξη CT-MRI βασίζεται στην ίδια λογική με τις δύο προηγούμενες. Η μόνη διαφορά είναι ότι και οι δύο μέθοδοι δίνουν πληροφορίες για τις ανατομικές δομές. Παρόλα αυτά διαφέρουν στο γεγονός ότι η αξονική τομογραφία δίνει με πολύ λεπτομέρεια οστικές δομές ενώ η μαγνητική τομογραφία δείχνει με μεγάλη ευκρίνεια τους μαλακούς ιστούς. Έτσι ορισμένοι όγκοι που φαίνονται πολύ καθαρά στην μαγνητική τομογραφία όταν συνδυαστούν με την αντίστοιχη αξονική μπορούν να προσδιοριστούν με μεγάλη ακρίβεια. Εδώ ως εικόνα αναφοράς παίρνουμε συνήθως την εικόνα από την αξονική τομογραφία. Τέλος η σύντηξη MRI-MRI γίνεται όταν θέλουμε να συγκρίνουμε διαφορετικές εικόνες μαγνητικής τομογραφίας. Για παράδειγμα μπορούμε να συνδυάσουμε μία εικόνα Τ1 και μία εικόνα Τ2. Παραπάνω είδαμε ότι οι εικόνες της μαγνητικής τομογραφίας βασίζονται στους χρόνους ηρεμίας. Έτσι άλλη εικόνα παίρνουμε με τον Τ1 και άλλη με τον Τ2 και με το να τις ταυτίσουμε παίρνουμε μία ακόμα πιο λεπτομερή εικόνα για την ανατομία της περιοχής του ανθρωπίνου σώματος που εξετάζουμε. Εδώ δεν έχει σημασία ποια εικόνα θα ορίσουμε ως εικόνα αναφοράς. Πριν την εφαρμογή των δεδομένων που δημιουργήθηκαν με την σύντηξη θα πρέπει να γίνει η αξιολόγησή τους ώστε να ελαχιστοποιηθούν τυχόν σφάλματα. Η αξιολόγηση αυτή γίνεται είτε οπτικά με εργαλεία που διαθέτει η εφαρμογή επεξεργασίας των δεδομένων είτε αναλυτικά με πίνακες σφαλμάτων, τα οποία υπολογίζονται αυτόματα κατά την σύντηξη. 3.6 Εφαρμογές σύντηξης απεικονιστικών δεδομένων Σύντηξη εικόνων στην διάγνωση. Η σύντηξη απεικονιστικών δεδομένων χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στην Ιατρική. Αυτό συμβαίνει γιατί προσφέρει μία ολοκληρωμένη ανατομική και λειτουργική πληροφορία ταυτόχρονα σε μία εικόνα. Το γεγονός αυτό κάνει την σύντηξη πολύ σημαντική στην διάγνωση και την θεραπεία. Η σωστή και ακριβής διάγνωση συμβάλλει στην καλύτερη και πιο αποτελεσματική θεραπεία. Με τις εικόνες που προκύπτουν από την σύντηξη των δεδομένων οι ιατροί μπορούν να εντοπίσουν καλύτερα κάποιο νεόπλασμα και οποιαδήποτε άλλη δυσλειτουργία του οργανισμού που πολύ πιθανόν να μην φαινόταν με μία εξέταση μόνο. Για παράδειγμα ένας όγκος εγκεφάλου είναι συνήθως εμφανής σε μία αξονική τομογραφία όχι όμως τόσο καθαρά όσο σε μία μαγνητική τομογραφία. Με την συνδυασμένη εικόνα που προκύπτει από τις δύο πληροφορίες ο ιατρός είναι σε θέση να εντοπίσει με αρκετά μεγάλη ακρίβεια τον όγκο. 31

32 Η σύντηξη εικόνων στην διάγνωση είναι σημαντική και για έναν ακόμα λόγο. Οι μεταστάσεις του καρκίνου είναι ένα πολύ συχνό φαινόμενο και οι ιατροί θα πρέπει να είναι ιδιαίτερα προσεκτικοί ώστε να διαγνώσουν κάποια μετάσταση το συντομότερο δυνατό. Σε μία απεικόνιση από αξονική τομογραφία είναι πολύ δύσκολο να φανούν μεταστάσεις που βρίσκονται σε αρχικό στάδιο. Όμως σε μία απεικόνιση από MRI ή PET διακρίνονται ανωμαλίες λειτουργίας του οργανισμού στα σημεία όπου υπάρχει μετάσταση του καρκίνου πριν ακόμα δημιουργηθεί κάποιος όγκος που θα είναι ευδιάκριτος με αξονική τομογραφία. Με τον συνδυασμό των δεδομένων από την αξονική τομογραφία με τα δεδομένα από την μαγνητική ή την ποζιτρονιακή τομογραφία ο ιατρός μπορεί να εντοπίσει την ακριβή θέση των μεταστάσεων που βρίσκονται σε πρώιμο στάδιο. Εικόνα 14: Όγκος εγκεφάλου. Αριστερά απεικόνιση με CT και δεξιά με MRI. Εικόνα 15: Μετάσταση στο ήπαρ. Επάνω απεικόνιση από ΡΕΤ και κάτω από CT. 32

33 Στις παραπάνω εικόνες φαίνεται η διαφορά που περιγράφηκε παραπάνω. Δηλαδή ότι ένας όγκος ή μία μετάσταση που δεν φαίνονται σε μία απεικονιστική μέθοδο είναι πολύ εμφανή σε μία άλλη. Συνεπώς ο συνδυασμός τους θα μας δώσει πλήρη εικόνα για την περιοχή που πρόκειται να θεραπευτεί Σύντηξη εικόνων στην θεραπεία. Η ακτινοθεραπεία είναι η τοπική χρήση ιοντιζουσών ακτινοβολιών για την θεραπεία νεοπλασμάτων. Ο σχεδιασμός της ακτινοθεραπείας είναι το πιο σημαντικό κομμάτι για την εφαρμογή της. Αφού έχουν ληφθεί οι διαγνωστικές εικόνες, αποθηκεύονται σε κάποια εφαρμογή ενός υπολογιστικού συστήματος με την οποία επεξεργάζονται. Όλες οι εικόνες από διάφορες ακτινοδιαγνωστικές μεθόδους αποθηκεύονται σε αρχεία DICOM. Η συγκεκριμένη μορφή των αρχείων χρησιμοποιείται παγκόσμια και βελτιώνεται έτσι ο συνδυασμός και η επεξεργασία των απεικονιστικών δεδομένων από οποιαδήποτε μέθοδο. Τα αρχεία αυτά δεν έχουν μόνο μία απεικόνιση αλλά ένα πακέτο εικόνων. Για παράδειγμα το DICOM μίας αξονικής τομογραφίας περιέχει τα δεδομένα για την τρισδιάστατη απεικόνιση της περιοχής που εξετάζεται και στις τρεις προβολές. Αφού αποθηκευτούν τα δεδομένα στην εφαρμογή που χρησιμοποιεί η κάθε κλινική, ξεκινάει το κομμάτι της επεξεργασίας της εικόνας. Η τρισδιάστατη εικόνα είτε απεικονίζεται ολόκληρη είτε ως εγκάρσιες τομές στην οθόνη του υπολογιστή. Στον σχεδιασμό της θεραπείας επεξεργάζεται η εικόνα κυρίως σε μορφή τομών για να εξασφαλιστεί η ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων. Η εφαρμογή μας παρέχει εργαλεία σχεδιασμού και επεξεργασίας της εικόνας. Σε κάθε τομή στην περιοχή που χρειάζεται να θεραπευτεί σχεδιάζονται τρεις περιοχές, το GTV, το CTV και το PTV. Η πρώτη περιοχή που σχεδιάζεται είναι το GTV 11, η οποία είναι η περιοχή που φαίνεται ότι καλύπτει ο όγκος. Η δεύτερη περιοχή είναι το CTV 12 η οποία είναι λίγο μεγαλύτερη από την πρώτη περιοχή και ως σκοπό έχει να καλύψει την γύρω περιοχή στην οποία μπορεί να έχει εξαπλωθεί ο όγκος χωρίς όμως να είναι ακόμα εμφανής. Ο καθορισμός της περιοχής αυτής γίνεται κυρίως εμπειρικά γι αυτό και είναι αρκετά δύσκολο να είναι ακριβώς καθορισμένη. Το CTV είναι αυτό που θα πρέπει να στοχεύσουμε στην θεραπεία ώστε να υπάρξουν θετικά αποτελέσματα. Τέλος η τελευταία περιοχή που καθορίζεται γύρω από τον όγκο είναι το PTV 13 η οποία σχεδιάζεται γύρω από το CTV και έχει ως σκοπό να εξασφαλίσει ότι η δόση θα κατανεμηθεί στο CTV. 11 GTV: Gross Tumor Volume 12 CTV: Clinical Target Volume 13 PTV: Planning Target Volume 33

34 Εκτός από τον σχεδιασμό του όγκου σχεδιάζονται και ανατομικές δομές ευαίσθητες στην ακτινοβολία, όπως η σπονδυλική στήλη ή τα μάτια έτσι ώστε να προστατευθούν από την δέσμη της ακτινοβολίας. Μαζί με τον σχεδιασμό της περιοχής που πρέπει να ακτινοβοληθεί καθορίζονται και εξωτερικοί παράγοντες. Για παράδειγμα η κλίση της κλίνης στην οποία θα βρίσκεται ο ασθενής κατά την διάρκεια της θεραπείας ή η γωνία που θα είναι στραμμένη η κεφαλή του ρομποτικού γραμμικού επιταχυντή και η θέση των κατευθυντήρων. Εφόσον έχουν καθοριστεί όλοι οι παράγοντες δίνεται εντολή στην εφαρμογή να υπολογίσει την κατανομή της δόσης. Εάν τα αποτελέσματα είναι ικανοποιητικά δίνεται έγκριση και το πλάνο της ακτινοθεραπείας στέλνεται στον προσομοιωτή για τον τελευταίο έλεγχο πριν την θεραπεία. Εάν όμως η κατανομή της δόσης δεν είναι η επιθυμητή τότε τροποποιούνται κάποιοι παράγοντες και γίνεται εκ νέου υπολογισμός της κατανομής της δόσης. Ο ρομποτικός γραμμικός επιταχυντής λειτουργεί με βάση αυτό το πλάνο. Συνεπώς για να είναι πιο αποτελεσματική η θεραπεία θα πρέπει ο σχεδιασμός της να γίνει με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω πολύ σημαντικό ρόλο σ αυτό παίζει ο καθορισμός των περιοχών GTV και CTV. Συνεπώς όσο καλύτερη είναι η εικόνα που έχουμε για την περιοχή που πρέπει να θεραπευτεί, τόσο καλύτερος θα είναι ο καθορισμός των περιοχών ακτινοβόλησης και με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται το μεγαλύτερο κομμάτι της δόσης της ακτινοβολίας να κατανέμεται στον όγκο και οι γύρω υγιείς ιστοί να ακτινοβολούνται ελάχιστα. Τέλος θα πρέπει να αναφερθεί και μία από τις πιο σύγχρονες εφαρμογές της σύντηξης απεικονιστικών δεδομένων στην θεραπεία, η οποία είναι στην καθοδηγούμενη ρομποτική χειρουργική. Αυτή χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου η χειρουργική θεραπεία είναι αρκετά πολύπλοκη ή δύσκολη όπως για παράδειγμα σε εγχειρήσεις του εγκεφάλου. Η ρομποτική χειρουργική βασίζεται σε ένα πρόγραμμα το οποίο εμφανίζει στην οθόνη ενός υπολογιστικού συστήματος την τρισδιάστατη εικόνα της περιοχής που πρόκειται να χειρουργηθεί. Ένας εξειδικευμένος χειρούργος δίνει εντολές στο μηχάνημα το οποίο υπό την καθοδήγησή του εφαρμόζει τις τομές. Με την σύντηξη απεικονιστικών δεδομένων η εικόνα που έχει ο χειρούργος είναι ακόμα πιο λεπτομερής. Έτσι εξασφαλίζεται η μείωση λαθών και η καλύτερη θεραπεία. Στην συνέχεια θα περιγραφεί το πειραματικό μέρος της εργασίας, τα αποτελέσματα από την σύντηξη των εικόνων, η επεξεργασία τους και τέλος τα συμπεράσματα που προέκυψαν. 34

35 4.Πειραματική Εφαρμογή 4.1 Εφαρμογή Eclipse-Varian. Η πειραματική εφαρμογή της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε στο Αντικαρκινικό Νοσοκομείο «Θεαγένειο» υπό την επίβλεψη της κ.μακρίδου Άννας. Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε είναι το Eclipse της εταιρίας Varian. Παρακάτω θα περιγραφούν τα εργαλεία της εφαρμογής που χρησιμοποιήθηκαν κατά την διεξαγωγή του πειραματικού μέρους. Tο Eclipse είναι ένα λογισμικό το οποίο χρησιμοποιείται για τον σχεδιασμό της ακτινοθεραπείας. Είναι συμβατό με πολλά είδη γραμμικών επιταχυντών, είναι εύκολο στην χρήση και διαθέτει πλήθος εργαλείων για την επεξεργασία των απεικονιστικών δεδομένων. Αναγνωρίζει όλα τα αρχεία σε μορφή DICOM και έτσι μπορεί να γίνει επεξεργασία δεδομένων από διαφορετικές απεικονιστικές μεθόδους. Το Eclipse διαθέτει τρείς κύριους φακέλους στους οποίους αποθηκεύονται όλα τα δεδομένα του κάθε ασθενή. Ο πρώτος διαθέτει όλα τα απεικονιστικά δεδομένα ενός ασθενή που έχουν εισαχθεί στο σύστημα, ο δεύτερος περιέχει όλες τις τρισδιάστατες δομές 14 της περιοχής που εξετάστηκε και ο τρίτος περιέχει όλα τα αρχεία DICOM δηλαδή όλα τα στοιχεία που αφορούν τον ασθενή, όπως οι εικόνες, οι καμπύλες δόσης, οι τρισδιάστατες δομές και άλλα. 4.2 Καταχώρηση δεδομένων. Αφού έχουν εισαχθεί οι εικόνες στην εφαρμογή μπορεί να γίνει η καταχώρησή τους στο αντίστοιχο φύλλο 15 που διαθέτει η εφαρμογή. Στην οθόνη εμφανίζονται δύο τετράγωνα στα οποία τοποθετούνται οι εικόνες. Αριστερά η εικόνα αναφοράς και δεξιά η ως προς ευθυγράμμιση εικόνα. Αρχικά επιλέγουμε το αρχείο DICOM που θα χρησιμοποιήσουμε και τοποθετούμε την εικόνα αναφοράς στον πρώτο τετράγωνο. Στην συγκεκριμένη περίπτωση ως εικόνα αναφοράς επιλέγουμε την εικόνα από αξονικό τομογράφο. Επιλέγουμε αυτή ως εικόνα αναφοράς γιατί τα δεδομένα κάθε ασθενή από τον αξονικό τομογράφο του νοσοκομείου αποστέλλονται απευθείας μετά την εξέταση στην εφαρμογή. Στην συνέχεια επιλέγουμε την εικόνα που πρόκειται να ευθυγραμμιστεί η οποία μπορεί να είναι είτε μια παλιότερη αξονική τομογραφία, η οποία υπάρχει ήδη στα αρχείο του ασθενή, ώστε να εξεταστεί εάν υπάρχει πρόοδος μετά την θεραπεία, είτε μία μαγνητική τομογραφία ή κάποια απεικόνιση από άλλη μέθοδο όπως το ΡΕΤ. Στην συγκεκριμένη περίπτωση η ως προς ευθυγράμμιση εικόνα ήταν μία εικόνα από μαγνητική τομογραφία. Καθώς 14 Καλούνται structure sets. 15 Το φύλλο στο οποίο γίνεται η καταχώρηση ονομάζεται «Registration». 35

36 το «Θεαγένειο» δεν διαθέτει μαγνητικό τομογράφο, τα δεδομένα λαμβάνονταν από CD που περιείχε τα αρχεία DICOM της εξέτασης. Εικόνα 16: Φύλλο καταχώρησης εικόνων στο Eclipse. Άνδρας με μακρό αδένωμα υπόφυσης μεγάλων διαστάσεων, μεγαλύτερο από 5cm, μη χειρουργήσιμο. Αριστερά βλέπουμε την απεικόνιση από αξονικό τομογράφο και δεξιά την αντίστοιχη από μαγνητικό τομογράφο. Η εφαρμογή που χρησιμοποιήσαμε διαθέτει μόνο συμπαγείς μετασχηματισμούς, δηλαδή μόνο μετακινήσεις και στροφές σε όλους τους άξονες. Η καταχώρηση γίνεται με τρεις τρόπους. Ο πρώτος είναι με κοινά σημεία, ο δεύτερος χειροκίνητα και ο τρίτος με pixel data. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω με τον πρώτο τρόπο καταχώρησης τοποθετούμε τα σημεία σε κοινά ανατομικά στοιχεία των δύο εικόνων. Αυτό που πρέπει να προσέξουμε είναι ότι τα κοινά σημεία θα πρέπει να τοποθετηθούν σε πολλές εγκάρσιες τομές γιατί η καταχώρηση γίνεται σε τρεις διαστάσεις. Όταν δοθεί η εντολή για καταχώρηση με κοινά σημεία η εφαρμογή μας δίνει 4 σημεία σε κάθε εικόνα τα οποία τοποθετούμε χειροκίνητα. Εάν χρειαστούν περισσότερα σημεία, υπάρχει επιλογή να προσθέσουμε κοινά σημεία χρησιμοποιώντας την εντολή insert new registration points.ο δεύτερος τρόπος, δηλαδή η χειροκίνητη καταχώρηση μας επιτρέπει να μετατοπίζουμε και να περιστρέφουμε την εικόνα σε 36

37 οποιονδήποτε άξονα. Ο τρόπος αυτός εφαρμόζεται κυρίως σε συνδυασμό με τους άλλους δύο τρόπους καταχώρησης ώστε να πετύχουμε καλύτερο αποτέλεσμα. Εικόνα 17: Καταχώρηση με κοινά σημεία- εντολή insert new registration points. Γυναίκα με καρκίνο του μαστού που παρουσίασε διπλωπία και μετά από μαγνητική τομογραφία εντοπίστηκε όγκος στον εγκέφαλο. Ο τρίτος τρόπος καταχώρησης είναι με Pixel data και είναι ο μόνος αυτόματος τρόπος καταχώρησης. Η εφαρμογή «διαβάζει» την φωτεινότητα των pixel που αποτελούν τις εικόνες με βάση την κλίμακα του γκρι και τα αντιστοιχεί με αποτέλεσμα να ευθυγραμμίζει τις δύο εικόνες. Έχουμε την δυνατότητα να μεταβάλλουμε την κλίμακα του γκρι για κάθε εικόνα ώστε να γίνει καλύτερη ευθυγράμμιση. Η εφαρμογή επαναλαμβάνει την αντιστοίχιση αρκετές φορές μέσα σε ένα χρονικό διάστημα, η διάρκεια του οποίου καθορίζεται από το σφάλμα της αντιστοίχησης. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται ιδιαίτερα για σύντηξη CT-CT. 37

38 4.2.1 Σφάλματα στην καταχώρηση. Τα σφάλματα στην καταχώρηση υπολογίζονται αυτόματα από την εφαρμογή και για τους τρεις τρόπους καταχώρησης. Στους δύο πρώτους τρόπους αμέσως μετά την καταχώρηση εμφανίζεται ένα παράθυρο το οποίο αναφέρει την μέγιστη και την μέση απόσταση των κοινών ανατομικών δομών που ορίσαμε. Στην καταχώρηση με pixel data το σφάλμα υπολογίζεται με διαφορετικό τρόπο. Επειδή αυτή η μέθοδος καταχώρησης είναι αυτόματη, ο υπολογισμός του σφάλματος γίνεται ταυτόχρονα με την ευθυγράμμιση. Συγκεκριμένα από την στιγμή που θα δοθεί η εντολή για την εκκίνηση της ευθυγράμμισης, εμφανίζεται ένα παράθυρο στο οποίο βλέπουμε ένα διάγραμμα όπου απεικονίζεται το σφάλμα. Κατά την διάρκεια της ευθυγράμμισης το σφάλμα μεταβάλλεται, αυτό παρατηρείται γιατί όπως αναφέρθηκε προηγουμένως η εφαρμογή αντιστοιχίζει κατ επανάληψη τα pixel μέχρι να μειωθεί το σφάλμα. Η ευθυγράμμιση ολοκληρώνεται όταν το σφάλμα της ευθυγράμμισης έχει ελαχιστοποιηθεί. Για αυτόν τον λόγο το χρονικό διάστημα της καταχώρησης των εικόνων με pixel data είναι διαφορετικός για κάθε περίπτωση. Εάν δεν είμαστε ικανοποιημένοι με το αποτέλεσμα μπορούμε να εκτελέσουμε την ευθυγράμμιση των εικόνων μέχρι να πάρουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα. Εκτός από τα σφάλματα που αναφέρθηκαν παραπάνω, η εφαρμογή διαθέτει εργαλεία με τα οποία μπορούμε να ελέγξουμε κατά πόσο είναι καλή η ευθυγράμμιση. Τα εργαλεία αυτά είναι τα εξής, το split view, το chess view, το blending view και το spy glass. Το split view και το chess view χωρίζουν την συνδυασμένη εικόνα σε τετράγωνα. Με το πρώτο χωρίζεται σε τέσσερα τετράγωνα και με το δεύτερο σε πολλά μικρότερα. Σε κάθε τετράγωνο εμφανίζεται είτε η εικόνα από την αξονική τομογραφία είτε η εικόνα από την μαγνητική τομογραφία εναλλάξ. Με αυτόν τον τρόπο μπορούμε να εντοπίσουμε απευθείας εάν η ευθυγράμμιση είναι ικανοποιητική ή όχι. Για παράδειγμα στην ευθυγράμμιση εικόνων από το κεφάλι θα πρέπει να υπάρχει συνέχεια στο οστό του κρανίου καθώς και στο δέρμα, όπως φαίνεται στην εικόνα που ακολουθεί. 38

39 Εικόνα 18: Split View : Καταχώρηση με κοινά σημεία. Παρατηρούμε την συνέχεια στην οστική δομή του κρανίου η οποία εμφανίζεται με ανοιχτό γκρι στην αξονική τομογραφία και μαύρη στην μαγνητική τομογραφία. Εικόνα 19: Chess view στην ίδια εικόνα με πριν. 39

40 Το εργαλείο Blending view εμφανίζει την συνδυασμένη εικόνα και μία μπάρα όπου επιλέγουμε κατά πόσο θα φαίνεται η αξονική και κατά πόσο η μαγνητική τομογραφία στην συνδυασμένη εικόνα. Το κάθε άκρο της μπάρας δηλώνει ότι βλέπουμε την απεικόνιση ή μόνο από την αξονική ή μόνο από την μαγνητική τομογραφία. Είναι πολύ χρήσιμο κυρίως στην σύντηξη CT-CT γιατί μπορούμε να παρατηρήσουμε την ύπαρξη προόδου μετά από την θεραπεία ενός ασθενούς. Τέλος το spy glass εμφανίζει την εικόνα αναφοράς και ένα μικρό τετράγωνο το οποίο μπορούμε να μετακινούμε πάνω της από το οποίο φαίνεται η εικόνα της μαγνητικής τομογραφίας. Το μέγεθος του τετραγώνου μπορεί να αλλάξει ανάλογα με την περιοχή που θέλουμε να εξετάσουμε. Είναι ένα ιδιαίτερα χρήσιμο εργαλείο, ειδικά όταν θέλουμε να δούμε εάν έχει γίνει σωστή ευθυγράμμιση σε μικρότερες περιοχές και όχι γενικά σε όλη την εικόνα. Παρακάτω παρατίθενται δύο εικόνες όπου φαίνεται η χρήση του εργαλείου blending view και του spy glass αντίστοιχα. Εικόνα 20: Blending view. Εδώ η μπάρα βρίσκεται ακριβώς στη μέση και στην οθόνη βλέπουμε την συνδυασμένη εικόνα. 40

41 Εικόνα 21: Spy glass. Στην οθόνη βλέπουμε την αξονική τομογραφία και στο τετράγωνο στο κέντρο βλέπουμε την μαγνητική τομογραφία σε εκείνη την θέση. Ένα πολύ σημαντικό εργαλείο που διαθέτει η εφαρμογή είναι αυτό με το οποίο μπορούμε να ορίσουμε την περιοχή που θα γίνει η ευθυγράμμιση. Ονομάζεται Set volume of interest και όταν το ενεργοποιήσουμε, εμφανίζονται δύο τετράγωνα, ένα σε κάθε απεικόνιση. Τα τετράγωνα αυτά μπορούν να αλλάξουν μέγεθος ανάλογα με την περιοχή που θέλουμε να εξετάσουμε. Είναι ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο γιατί όσο πιο μικρή είναι η περιοχή που ορίζουμε τόσο πιο σωστή θα είναι η ευθυγράμμιση, καθώς η εφαρμογή θα συγκεντρώνεται μόνο στην περιοχή που ορίσαμε και όχι σε όλη την επιφάνεια που απεικονίζεται. Επίσης μειώνουμε αρκετά τον χρόνο της ευθυγράμμισης των εικόνων. 41

42 Εικόνα 22: Άνδρας με λιποσάρκωμα αριστερού θωρακικού τοιχώματος. Η αξονική τομογραφία είναι μετεγχειρητική ενώ η μαγνητική τομογραφία προ-εγχειρητική. Διακρίνουμε την περιοχή που ορίσαμε με το εργαλείο Set Volume of Interest καθώς και την μπάρα με την οποία μεταβάλλουμε την κλίμακα του γκρι στην δεξιά πλευρά κάθε εικόνας. Αφού έχει γίνει η πρώτη αξιολόγηση της ευθυγράμμισης με τους τρόπους που περιγράφηκαν παραπάνω ακολουθεί ο σχεδιασμός των τριών βασικών περιοχών για τον σχεδιασμό της ακτινοθεραπείας, δηλαδή των περιοχών GTV, CTV και PTV. Για να γίνει αυτό χρησιμοποιούμε το φύλλο εργασίας Contouring της εφαρμογής. Ανοίγοντας το εμφανίζεται στην οθόνη μόνο η εικόνα της αξονικής τομογραφίας. Επιλέγουμε από την μπάρα όπου εμφανίζονται όλα τα αρχεία, την μαγνητική τομογραφία την οποία ευθυγραμμίσαμε και με δεξί κλικ επιλέγουμε την εντολή Blend with... Όταν δοθεί αυτή η εντολή η εφαρμογή εκτελεί σύντηξη των ευθυγραμμισμένων εικόνων. 4.3 Σχεδιασμός περιοχών ακτινοβόλησης. Στο φύλλο Contouring έχουμε την δυνατότητα να σχεδιάζουμε τις περιοχές ακτινοβόλησης και τις ευαίσθητες ανατομικές δομές που θα πρέπει να αποφύγουμε όπως είναι τα μάτια όταν σχεδιάζουμε θεραπεία για όγκο εγκεφάλου ή η σπονδυλική στήλη, η καρδία, οι πνεύμονες όταν σχεδιάζουμε θεραπείες με ακτινοβόληση στον θώρακα ή το στήθος. 42

43 Χρησιμοποιώντας τα εργαλεία σχεδίασης της εφαρμογής σχεδιάζουμε τις περιοχές που αναφέρθηκαν σε κάθε τομή ώστε να προκύψει στο τέλος ένα τρισδιάστατο αποτέλεσμα. Παρακάτω βλέπουμε την εικόνα από τον σχεδιασμό της περιοχής GTV και της περιοχής PTV αντίστοιχα χρησιμοποιώντας ταυτόχρονα το εργαλείο Blending View ώστε να έχουμε καλύτερη εικόνα για την περιοχή που θα πρέπει να ακτινοβοληθεί. Εικόνα 23: Σχεδιασμός GTV, η περιοχή που καλύπτεται από το μπλε περίγραμμα. Εικόνα 24: Σχεδιασμός PTV, η περιοχή που καλύπτεται από το κόκκινο περίγραμμα. 4.4 Σχεδιασμός πλάνου ακτινοθεραπείας. Αφού έχει γίνει και ο σχεδιασμός φτάνουμε στο τελικό στάδιο, τον σχεδιασμό της θεραπείας. Ο σχεδιασμός της ακτινοθεραπείας γίνεται στο φύλλο εργασίας Field Setup. Καθορίζουμε τις παραμέτρους όπως η διεύθυνση της δέσμης, η θέση της κεφαλής του γραμμικού επιταχυντή, η κλίση της κλίνης καθώς και την θέση των κατευθυντήρων. Στην συνέχεια δίνουμε εντολή να γίνει υπολογισμός της κατανομής της δόσης σύμφωνα με τις παραπάνω παραμέτρους. Εάν το αποτέλεσμα είναι ικανοποιητικό τότε το πλάνο της ακτινοθεραπείας παίρνει έγκριση και στέλνεται στον 43

44 εξομοιωτή όπου γίνεται η τελική αξιολόγηση του πλάνου. Στην περίπτωση όμως που η κατανομή της δόσης δεν είναι η επιθυμητή τότε μεταβάλλουμε κάποιες από τις παραμέτρους ή προσθέτουμε βοηθητικά στοιχεία όπως οι σφήνες, οι οποίες κατευθύνουν την δέσμη έτσι ώστε να έχουμε μέγιστη απόδοση της δόσης στο σημείο που θέλουμε και ξαναδίνουμε εντολή για τον υπολογισμό της κατανομής της δόσης. Τέλος μετά την επιτυχημένη εξομοίωση του πλάνου, αρχίζουν οι συνεδρίες της ακτινοθεραπείας. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι η συνολική δόση την οποία λαμβάνει ο ασθενής, δεν δίνεται μόνο σε μία συνεδρία αλλά σε περισσότερες μεταξύ των οποίων μεσολαβεί ένα χρονικό διάστημα λίγων ημερών. Αυτό είναι αναγκαίο καθώς η δόση είναι αρκετά μεγάλη για να δοθεί σε μία συνεδρία, συνεπώς πάρα πολύ επικίνδυνη για τον ασθενή αλλά και γιατί μέσα στο χρονικό διάστημα που μεσολαβεί, τα κύτταρα υγιών ιστών που μπορεί να ακτινοβολήθηκαν έχουν τον χρόνο να επανέλθουν στην φυσιολογική τους κατάσταση. Παρακάτω βλέπουμε εικόνες από τα πεδία ακτινοβόλησης, τις περιοχές που πρόκειται να ακτινοβοληθούν και τον υπολογισμό της κατανομής της δόσης σε αυτές. Οι εικόνες δίνονται και στις τρεις κατόψεις, την μετωπική, την εγκάρσια και την τοξοειδή. 44

45 Εικόνα 25: Πεδία ακτινοβόλησης και κατανομή δόσης. Εικόνες 26 και 27: Πεδία ακτινοβόλησης και περιοχές GTV και PTV. Διακρίνονται επίσης και τα μάτια τα οποία αποτελούν ευαίσθητη περιοχή. 45

46 Εικόνα 28: Προβολή πεδίου ακτινοβόλησης από όλες τις πλευρές. 5.Αξιολόγηση σύντηξης εικόνων. 5.1 Αξιολόγηση επιτυχίας της ευθυγράμμισης με την χρήση εργαλείων της εφαρμογής. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω η εφαρμογή διαθέτει εργαλεία για την εμπειρική αξιολόγηση της σύντηξης των εικόνων. Τα εργαλεία αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα μετά το τέλος της διαδικασίας ευθυγράμμισης των εικόνων και είναι αρκετά εύκολα στην χρήση. Η μέθοδος αυτή είναι μία γενική αξιολόγηση με την οποία ελέγχουμε εάν έχει γίνει ή όχι σωστή ευθυγράμμιση. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί πολλές φορές και δεν έχει σχέση με την μέθοδο καταχώρησης που εφαρμόστηκε. Είναι αρκετά ικανοποιητική καθώς είναι άμεση και γρήγορη και μπορούμε να διακρίνουμε τόσο την γενική εικόνα όσο και συγκεκριμένες περιοχές όπου η ως προς ευθυγράμμιση εικόνα αποκλίνει και έτσι δεν υπάρχει η συνέχεια που θέλουμε. Αυτό το επιτυγχάνουμε εστιάζοντας σε μία περιοχή και 46

47 χρησιμοποιώντας το spy glass. Εάν μετά την αξιολόγηση κρίνουμε ότι δεν είναι αρκετά ικανοποιητική η ευθυγράμμιση, τότε μπορούμε να αρχίσουμε την διαδικασία της καταχώρησης και ευθυγράμμισης εκ νέου. 5.2 Αξιολόγηση με βάση τον χρόνο ευθυγράμμισης. Ο χρόνος που χρειάζεται ώστε να ολοκληρωθεί η διαδικασία της ευθυγράμμισης είναι φυσικά ένας πολύ σημαντικός παράγοντας. Όσο λιγότερο διαρκεί τόσο πιο γρήγορα θα μπορέσουμε να ξεκινήσουμε τον σχεδιασμό της ακτινοθεραπείας. Ο χρόνος της ευθυγράμμισης διαφέρει για κάθε μέθοδο καταχώρησης. Συγκεκριμένα στην χειροκίνητη καταχώρηση και στην καταχώρηση με κοινά σημεία δομές, η ευθυγράμμιση γίνεται αμέσως χωρίς να μεσολαβήσει κάποιο χρονικό διάστημα. Αν και ο χρόνος ευθυγράμμισης είναι μη μετρήσιμος, αυτού του είδους οι καταχωρήσεις απαιτούν χρόνο στον καθορισμό των κοινών σημείων και στην χειροκίνητη μετατόπιση και στροφή των εικόνων. Επομένως αν και φαίνεται να είναι η πιο γρήγορη μέθοδος καταχώρησης, ξοδεύουμε αρκετό χρόνο στην προετοιμασία της ευθυγράμμισης. Επιπλέον εκτός του χρόνου προετοιμασίας, απαιτείται και εμπειρία από την πλευρά του χειριστή, ώστε να μπορεί να αναγνωρίζει κοινά σημεία δομές ή να είναι εξοικειωμένος με την χειροκίνητη μετατόπιση και στροφή των εικόνων. Από την άλλη μεριά η μέθοδος καταχώρησης με pixel data απαιτεί κάποιο χρονικό διάστημα ώστε να ολοκληρωθεί η ευθυγράμμιση. Ο χρόνος αυτός δεν είναι σταθερός για κάθε τέτοια μέθοδο καταχώρησης αλλά μεταβάλλεται για κάθε περιστατικό. Η διάρκεια της ευθυγράμμισης βασίζεται στον χρόνο που χρειάζεται για να ελαχιστοποιηθεί το σφάλμα της ευθυγράμμισης. Ο χρόνος αυτός μειώνεται όσο μειώνεται η περιοχή ευθυγράμμισης. Επομένως χρησιμοποιώντας το Set Volume of Interest μπορούμε να μειώσουμε τον χρόνο της ευθυγράμμισης. Ένα ακόμα πράγμα που μπορούμε να κάνουμε για να μειώσουμε αυτό το χρονικό διάστημα είναι πριν την καταχώρηση με Pixel data να κάνουμε μία χειροκίνητη καταχώρηση. Συνδυάζοντας τους δύο τρόπους καταχώρησης «βοηθάμε» την εφαρμογή να κάνει πιο γρήγορα την ευθυγράμμιση. 47

48 Εικόνα 29: Καταχώρηση με pixel data. Βλέπουμε το παράθυρο διαλόγου όπου φαίνεται το σφάλμα που μειώνεται συνεχώς και τις τσεκαρισμένες περιοχές που ορίστηκαν από το SVI. Από τα περιστατικά που εξετάσαμε στα τρία έγινε καταχώρηση με κοινά σημεία και στα πέντε με pixel data. Επομένως στα τρία περιστατικά ο χρόνος ευθυγράμμισης είναι ελάχιστος και μη μετρήσιμος ενώ στα άλλα πέντε ο χρόνος που χρειάστηκε δίνεται στον παρακάτω πίνακα. Α/Α Ασθενών Χρόνος ευθυγράμμισης 1 5m43sec 2 2m37sec 3 2m24sec 4 3m45sec 5 2m59sec 48