AVTOMATSKA ANALIZA HRBTENIČNIH STRUKTUR V TRIDIMENZIONALNIH MEDICINSKIH SLIKAH Z UPORABO DEFORMABILNIH MODELOVKOREZ, ROBERT (Avtor) Vrtovec, Tomaž (Mentor) tridimenzionalne slike analiza slik deformabilni modeli hrbtenica vretenca medvretenčne ploščiceMedicinsko slikanje, kot sestavni del sodobne medicinske prakse, je v zadnjem stoletju doživelo izjemen tehnološki razvoj, predvsem zaradi napredka v tehnologiji in zmogljivosti razumevanja anatomije in delovanja človeškega telesa. Vloga medicinskega slikanja je napredovala daleč preko preprostega prikazovanja in pregledovanja anatomskih struktur, saj so nove tehnike in metodologije privedle do višjih standardov pri diagnostično preiskovalnih postopkih, zdravljenju in spremljanju bolnikovega stanja (Burns in dr., 2015). Poleg tega je medicinsko slikanje postalo napredno orodje za uporabo v številnih kompleksnih kliničnih aplikacijah, kot so načrtovanje in simulacija kirurških posegov, medoperativna navigacija, načrtovanje radioterapij, ocena učinkovitosti zdravljenja ter spremljanje napredka bolezni. Temelji medicinskega slikanja segajo v leto 1985, ko je nemški fizik Wilhelm Conrad Röntgen odkril novo vrsto elektromagnetnega sevanja, ki prodira skozi različne trdne materiale, med drugim skozi človeško kožo in oblačila. To novo vrsto sevanja, ki ga je poimenoval žarki X (ang. X-rays), je uporabljal za slikanje skozi človeško tkivo, saj so na radiografskem filmu (ang. radiograph) ostale le slike kosti in kovin. V naslednjih desetih letih je radiografija (tj. slikanje z žarki X) postala prevladujoč način diagnosticiranja v vseh večjih bolnišnicah po svetu. Naslednjih 60 let se postopek radiografije ni bistveno spreminjal in je ostal edini način pridobivanja slik notranjosti človeškega telesa. ˇ Sele razvoj sonarja (tj. tehnike, ki uporablja zvok za določanje položaja) med drugo svetovno vojno, je vodil do nove prelomnice v medicinskem slikanju, ko je leta 1958 škotski zdravnik Ian Donald predstavil prvi ultrazvok (ang. Ultrasound - US). Prednost US je bila, da je bilo sliko možno rekonstruirati in prikazati s povsem analognimi vezji, brez uporabe računalnikov. Dandanes moderne US naprave seveda uporabljajo računalniško obdelavo slike. Z razvojem računalnikov je razvoj medicinskega slikanja dobil nov zagon. Leta 1971 sta angleški elektroinženir Sir Godfrey Newbold Hounsfiled in južnoafriškoameriški fizik Allan McLeod Cormack predstavila prvo napravo, ki je izdelala ne le ravninske slike (kakor žarki X) pač pa tudi slike prečnih prerezov. Uporabljena metoda je znana kot računalniška tomografija (ang. computed tomography - CT) in je prva metoda, ki je potrebovala računsko moč za sestavljanje slike. Zadnji veliki mejnik predstavlja slikanje z magnetno resonanco (ang. magnetic resonance - MR), ki so jo leta 1977 predstavili armensko-ameriški zdravnik Raymond Vahan Damadian, ameriški kemik Paul Christian Lauterbur in angleški fizik Sir Peter Mansfield. Čeprav je postopek sestave končne slike pri MR podoben postopku pri CT, je osnovno pridobivanje slike bistveno drugačno. Tehnika CT uporablja žarke X in pri tem izpostavi tkivo sevanju, medtem ko slikanje z MR uporablja magnetno polje in pulze energije elektromagnetnih valov ter tako pridobi sliko brez zdravju škodljivih dejavnikov. Od takrat je razvoj medicinskega slikanja veliko bolj postopnejši. Bistveno se je pohitril postopek pridobivanja (izračuna) slike ter povečali sta se ločljivost in kvaliteta slike. Trenutni razvoj je usmerjen v nove tehnike slikanja z uporabo vidne in infrardeče svetlobe (Haidekker in dr., 2013, Vrtovec in dr., 2011). Vsem metodam medicinskega slikanja je skupno, da je poškodba ali bolezen na sliki vidna kot kontrast med določeno anatomsko strukturo in sosednjim tkivom. To torej pomeni, da se dajo poškodbe in bolezni prepoznati na sliki in da jih izkušen radiolog lahko natančno pregleda. Vsaka tehnika medicinskega slikanja izkorišča določene fizikalne lastnosti za zajem informacije o človeškem telesu in s tem ustvari čim bolj natančno sliko. Glede na informacije, ki jih podajajo, lahko medicinske slikovne tehnike delimo na anatomske in funkcionalne. Glede na prostorske dimenzije dobljenih slik pa jih delimo na dvodimenzionalne (2D) in tridimenzionalne (3D). Anatomske slikovne tehnike, kot so npr. radiografija, CT, MR in US, podajajo informacijo izključno o zgradbi telesa, nasprotno pa funkcionalne slikovne tehnike, kot so npr. fluoroskopija (ang. fluoroscopy), funkcionalna MR (ang. functional MR), pozitronska izsevna tomografija (ang. positron emission tomography) in enofotonska izsevna CT (ang. single-photon emission CT), podajajo informacijo o funkciji določene anatomske strukture (npr. spremembe v metabolizmu ali v krvnem obtoku). Področje uporabe različnih medicinskih slikovnih tehnik določajo razni dejavniki, npr. omejitve in zahteve določenih medicinskih postopkov, kvaliteta, invazivnost, hitrost in cena slikanja. Zaradi visoke cene in počasnosti zajema se 3D slikovne tehnike (npr. CT ali MR) običajno uporabljajo za postavljanje diagnoze, predhodno načrtovanje kirurških ali radioloških posegov, vrednotenje uspešnosti posegov ter oceno napredovanja bolezni. Redkejša je njihova uporaba med samimi terapevtskimi posegi. Po drugi strani pa se občutno cenejše 2D slikovne tehnike (npr. radiografija ali US), ki omogočajo zajem v realnem času, uporabljajo tako za diagnozo in načrtovanje terapevtskih posegov kot tudi za nadzor kirurških ali radioloških posegov (Tomaževič in dr., 2005, Vrtovec in dr., 2007). Predvsem zaradi nizke cene ter širokega področja uporabe so 2D slikovne tehnike še vedno močno prisotne, vendar pa zaradi svoje narave ne omogočajo prostorske informacije kot 3D slikovne tehnike. Neprestano povečevanje števila slikovnih rezin v enem zajemu, zmanjševanje debeline slikovnih rezin ter časa, potrebnega za zajem slike, poleg tega pa tudi obstoj velikega števila anatomskih značilnic, ki so dobro vidne na CT ali MR slikah (niso pa denimo vidne na radiografskih slikah), vodi v vse večji razmah uporabe 3D slikovnih tehnik (Sakas in dr., 2002).20162016-05-04 15:03:14Doktorsko delo/naloga81714sl