автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Разработка методов и средств компьютерной визуализации подкорковых образований мозга для стереотаксической нейрохирургии

НАЭТНО-ИССЛЕЩОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ МЕДИЦИНСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

КАЗАРНОВСКАЯ Мария Ильинична

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОМПЬЮТЕРНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЮДКОРКОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ МОЗГА ДЛЯ СТЕРЕОТАКСИЧЕСКОИ НЕЙРОХИРУРГИИ

05.13.09 - управление в биологических и медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ' нейрохирургии им. акад. H.H. Бурденко РАМН

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: -доктор технических наук, профессор А.А.Дорофеюк

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор технических наук, профессор А.М.Петровский кандидат технических наук, с.н.с. С.Д.Калашников

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН

Защита диссертации состоится " " 1992 г.

в часов на заседании специализированного ученого совета Д.098.04.01 в Научно-исследовательском институте медицинского приборостроения по адресу: 125422,г.Москва, ул. Тимирязевская, I

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НШМП Автореферат разослан " " 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

к.т.н., с.н.с. ^C^dY н-и-Попов

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Функциональная стереотаксическая нейрохирургия нацелена на хирургическое лечениэ функциональных расстройств, осязанных с патологическими процесса™ в глубинных структурах при анатомически сохранном мозге. Вариабельность пространственного расположения некоторых важ"ых анатомических структур относительно невелика. Это относится в первую очередь к области подкорковых образований мозгз, содержащей важнее и труднодоступные структуры - зрительный бугор (шлалус) и прилежащие к нему образования. Метод доступа к нужным структурам при стереотаксичесюи операциях состоит в том, что, сопоставляя индивидуальные пространственные ориентиры, полученные по данным рентгеновских обследований больного, со специальными атласами, можно рассчитаешь координаты зоны-мшпени и с помощью специального аппарата, укрепляемого на голове пациента, с высокой точностью ввести инструмент через небольшое отверстие в черепе в заранее рассчитанную точку, чтобы выполнить хирургическое вмешательство. Характер вмешательства чаще всего - электростимуляция, крио-, термо- или электро-деструкция. Сгереотаксические операции значительно менее травматичны в сравнении с обширным! прямыми вмешательствам!, и, в отличив от них, обеспечивают доступ к глубинным областям мозга.

Таламус представляет собой комплекс сложно организованных ядер, расположенных на магистральных информационных путях. Предложены многочисленные классификации ядер таламуса. Наиболее распространенная ' из них была положена в основу полного стереотаксического атласа мозга человека Шальтенбранда и Бейли (1959). В этот атлас вошло около 150 ядер, выделяемых в соответствии с их клеточной организацией и связями друг с другом и с корой мозга. В атлас входит набор срезов в трех взаимно перпендикулярных направлениях (системы сагиттальных, фронтальных и горизонтальных срезов). Кавдая система представлена I&-20 срезами на расстоянии 0.5-5 мм один от другого.

Цель стереотаксических операций состоит в достижении структуры, воздействие на которую, предположительно, • разрушит Патологический процесс (тремор, эписиндром и т.д.), проверке того, что достигнута нужная структура, и в корректирующем воздействии на эту структуру. Проведение таких операций связано с определенными сложностями, обусловленными малыми размерами и сложными формами

Jiy.iVI "От*ц

структур. а таи® трудностью их локализации. Кроме того, существует определенная индивидуальная вариабельность объемной конфигурации структур и . функциональных связей. Поэтому нейрохирургу важно ясно представлять себе пространственную ситуацию в зоне вмешательства относительно заданного положения инструмента. Кроме того, важно уметь адаптировать атлас к индивидуальным параметрам конкретного Сольного, которые могут определяться на основе данных колпътерноС. тслогрйфии (КТ).

Для этих целей была поставлена задача восстановления полной информации о пространственном положении 112 структурных образований таламуса и околоталамической области, представляющих в большинстве случаев область интереса при стереотаксических операциях. За основу была взята система сагиттальных (параллельных плоскости межполушарной симметрии) срезов атласа, по которым в памяти компьютера методами обьехной интерполяции. была восстановлена полная лоОель исследуемой области с учетом ее структурной неоднородности.

Этв работа является первым этапом в серии разработок для информационного обеспечения стереотаксических нейрохирургических операций. Помимо создания собственно компьютерного атласа, в диссертации решаются некоторые другие задачи, связанные с усовершенствованием технологических аспектов стереотаксических вмешательств, расчетов координат, 3-мерной реконструкцией патологических образований по данным КТ.

Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена: а)широким распространением заболеваний центральной нервной системы, дающих показания к стереотаксическому нейрохирургическому лечению, б)появлением новых технических средств для прецизионного стереотаксического нацеливания (включая средства КТ головы с закрепленным на ней стереотаксическим аппаратом), а также в)значительным опытом, накопленным в стереотаксическсй нейрохирургии, и, наконец, г)объективной сложностью восприятия нейрохирургом пространственной ситуации в зоне манипуляций и необходимостью средствами компьютерной графики облегчить, ускорить в уточнить локализацию нужных структур. Кроме того, актуальными следует считать проблемы интенсификации обучения нейрохирургов стереоанатомии мозга.

Цель работы: - разработать методику и алгоритмы трехмерной реконструкции "сложных объектов по системе плоско-параллельных сечений: - на этой основе создать и исследовать трехмерную модель подкорковых образований мозга- человека по картам атласа

(катызперкыЯ стереотаксический атлас); - создать систему компьютерного обеспечения подготовки и проведения стереотаксических вмешательств на головном мозге, а также разработать компьютерные средства обучения стереоанатомии мозга.

Задачи исследования я разработки - а) построить универсальную процедуру (без явного предположения о топологических свойствах объекта) восстановления объемного тела в слое между двумя заданными его плоско-параллельными сечениями - основной

алгоритмический модуль в задачах реконструкции; на ее основе разработать алгоритм послойного восстановления объекта;

б)разработать методы компактного представления модели в памяти;

в)построить объединенную математическую модель 112 различаемых объектов-структур, г /создать алгоритмы и развитые программные средства для построения карт сечений мозга плоскостями произвольного положения, изометрических изображений, расчета и преобразования координат, верификации модели, адаптации данных атласа к индивидуальным размерам мозга пациента, д(исследовать объемные отношения подкорковых структур мозга.

Научная новизна. Разработаны методика и алгоритмы восстановления 3-мерного объекта по данным плоскопараллельных сечений в случае, когда форма заданных плоских областей монет претерпевать значительные изменения между соседними сечениями. Впервые поставлена и решена задача полномасштабного математического моделирования стереоанатомии важнейших образований ».«зга, включающих ядра таламуса и прилежащие структуры. Разработан новый подход к кхтыапернолу ассистирования при стереотаксической нейрохирургии, отличающийся от известных тем, что в его основе лешгг оперативный синтез раскрашенных карт произвольно ориентированных плоских сечений объекта, что оказывается удобным даге при большом числе структур и слогяости пх границ. С помощью разработанной модели впервые получена полная сводка количественных характеристик рассматриваемых мозговых образований- пх объемов, поверхностей, площадей контакта, графа анатомического соседства,-которые в литературе ранее не приводились. Введен ряд усовершенствований в технологию стереотаксических расчетов. Впервые идеи кошьвтерного ассистирования, котортз ранее .рассматривались преимущественно в принципиальном плане, доведены до реализации в виде нескольких закопченных специализировашшх программных продуктов, испытанных п применяемых в практической нейрохирургии.

Практическая значимость. Разработанные методы я алгоргпги

достаточно универсальны, чтобы найти широкое применение в различных областях медицины, геологии, робототехники, -где требуется объемное моделирование с визуализацией сложно-структурированных объектов. Их внедрение в стереотаксическую нейрохирургию совершенствует технологию планирования и проведения вмешательств, облегчает, уточняет и ускоряет технические этапы операций, создает более комфортные условия нейрохирургу благодаря "интравидению" области интереса, более надежному контролю положения инструмента относительно мишени и окружающих ее структур, и в конечном итоге повышает эффективность лечения. Разработанные средства представляют также интерес для обучения стереоанатомии мозга.

Апробация. Результаты работы докладывались: - на заседаниях проблемной комиссии "Стереотаксическая и функциональная нейрохирургия" в НИИ нейрохирургии имени акад. H.H. Бурденко АМН СССР; - на мзжлабораторном семинаре в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии АН СССР; - на Международном симпозиуме по функциональной нейрохирургии (Тбилиси, 1990); - на Всесоюзной с международным участием конференции по нейрокибернегаке (Ростов-на-Дону, 1989); - на 9-м Европейском Конгрессе нейрохирургов (Москва, 1991;.

Разработанные программные средства демонстрировались на международной выставке "Нейрохирургия-91".

Публикации. Основные результаты работ по теме диссертации изложены в 6 публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, Ь глав, выводов, сшска литературы, 4 приложений к содержит 141 страницу основного текста и 54 рисунка. Список литературы содержит 46 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Вво/ешш обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и ее практическая значимость, описана структура диссертации.

В Главе I приводится обзор литературы, посвященной проблеме визуализации образований мозга , а также некоторым специфическим аспектам, связанным со стереотакзической нейрохирургией. Стереотаксическая методика развивалась в * СССР Э.И. Канделом /1981/, Н.Я. Васиным /1971/, А.П. Родадвновым с соавт./1970/, В.А. ШвбалоБнм/1991/,В.В. Пересе^овым/1979/, А.Г. Меликяном/1991/ и другими нейрохирургами, которые совершенствовали как сам метод.

так и систему приспособлений, инструментарий, изучали клинические эффекты вмешательств, методы физиологической идентификации (С.Н. Раева/1991/, H.A. Архшгова/1991/ и др.).

Первые работы по компьютерному моделированию объемных образований мозга были выполнены F.Aishar'CM с соавт. /1977,1982,1983/ для образований ствола мозга и комплекса тройничного нерва. Проблемы визуализации мозговых структур исследовались также в работах Т.Hardy/1982,1983/, P.J.Kelly /1982,1983,1985,1986/, G.Glorgl/I983/, L.E.Jonston/1984/,' S.FuJita/I990/, и других авторов. В этих работах под трехмерной реконструкцией понималось изометрическое контурное изображение тех или иных структур. Между тем "объемное" представление на экране сложно-структурированных объектов существенно неправильной формы далеко не всегда возможно и оправдано. Такие объекты трудноузнаваемы, в частности, и потому, что многие из них в 3-мерном виде, обычно не наблюдались (только в виде плоских сечений). В данной работе обосновывается точка зрения, согласно которой назначение математической объемной модели образований мозга состоит не столько р непосредственном "объемном" изображении их на экране, сколько в качестве источника разнообразной информации о стереометрии объекта, в первую очередь - это синтез карт произвольных плоских сечений. Для решения этой задачи трудноприменимы известные классические и эвристические метода реконструкции, так как они предполагают наличие определенных свойств у реконструируемого объекта , которыми нередко рассматриваемые объекты не обладают. Это диктует необходимость разработки более адекватной методики реконструкции рассматриваемых объектов.

В Главе 2 дается развернутая постановка задач компьютерного ассистирования в ходе подготовки и осуществления стереотаксических вмешательств. Стереотаксический аппарат представляет собой жестко фиксируемую на голове пациента металлическую раму в форме кольца, на которой позиционируется и укрепляется устройство для прецизионного ввода в заранее рассчитанную точку мозга хирургического инструмента - обычно тонкой трубки - канюли, через которую производится локальное воздействие на заданную структуру •мозга . Элементы конструкции аппарата определяют стереотаксическое пространство описываемое декартовой системой координат -систелой внешних ориентиров (x,y,z). Поскольку связь внешних ориентиров с координатами представляющих интерес внутримозговых структур зависит как от фиксации кольца, так и от индивидуальных

внатомических особенностей, используется также . систела

г » »

внутрилозговых ориентиров 1х ,у ,г }, в которой положение структур считается более определенным. В качестве внутримозговых ориентиров берутся обычно мозговые структуры, которые хорошо видны при рентгеновском "просвечивании" -ветрикуиографии. либо КТ головы с закрепленным на ней стереотаксическим аппаратом. Сопоставляя внешние ориентиры с внутримозговыми, можно рассчитать координаты мишени и с помощью стереотаксического аппарата через небольшое отверстие в черепе ввести в мозг канюлю с тем, чтобы она достигла мишени. Поскольку поле операции для непосредственного наблюдения недоступно, задача компьютерного ассистирования может быть поставлена как задача визуализации внутримозговой области, где производится воздействие (окрестность концевой части канюли).

В диссертации исследуются две задачи компьютерного ассистирования, близкие по применяемому математическому аппарату. Первая - основная- задача относится к органически неизмененному мозгу, объемная модель которого восстанавливается по картам сечений из атласа. Вторая задача связана с относительно новым направлением в стереотаксической нейрохирургии- удалением малоразмерных глубоко расположенных новообразований мозга с помощью стереотаксической техники; в этом случае исходные карты сечений получаются только по данным КТ.

В обеих задачах наибольшую ценность представляет послойное представление объекта с помощью определенным образом ориентированных сечений области интереса, в частности, серией сечений, ортогональных канюле. Для обеспечения возможности синтеза произвольного плоского сечения, очевидно, необходима полная объемная модель объекта, восстановленная по базисным сечениям.

Таким образом, основная задача диссертации заключается в разработке методики, позволяющей по системе плоскс-параллельных сечений сложно-структурированного объекта реконструировать его объемную модель, и в создании на базе этой методики модели подкорковых образований головного мозга человека.

В Главе 3 описаны методы и алгоритмы 3-мерной реконструкции объектов по картам плоско-параллельных сечений. Задача понимается как восстановление целочисленной функции вида:

V = Р (х,у,г),

где х,у,г -координаты точки стереотаксического пространства, V -порядковый номер структурного образования мозга, которому эта

точка принадлежит.

При разработке методики применительно к подкорковым структурам следует учесть, что физически границ между отдельными структурами (в Еиде оболочек-капсул) не существует. Присутствующие в атласах границы фактически разграничивают группы клеток различной морфологической природы и проведены они достаточно условно. Таким образом, нецелесообразно делать какие-либо конкретные предположения относительно гладкости разграничивающих структуры поверхностей. Задачу трехмерной реконструкции в данном, случае целесообразно поставить следующим образом: определить множество всех внутренних точек объекта, заданного системой плоско-параллельных сечений, не восстанавливая явно границу объекта. Этот подход и реализован в диссертации.

Природа исследуемого объекта обусловливает определенные особенности методики трехмерной реконструкции, в частности,

а)интерполяционные алгоритмы не должны быть излишне сложными; следует ограничиться кусочно-линейной интерполяцией,- учитывая весьма неопределенный характер разграничивающих кривых.

б)алгоритмы реконструкции должны учитывать сложную топологию реконструируемых объектов -не только невыпуклость областей, но даже их разделение, нарушение односвязности и связности на отдельных сечениях.

Алгоритм реконструкции 3-мерной модели сложно-структурированной области сводится к алгоритму для реконструкции единственного объекта и объединению отдельных моделей.

Разработанный для отдельного объекта алгоритм, по существу, между каждой парой базисных сечений (из атласа) восстанавливает серию промежуточных сечений с заданным шагом (в работе 0.1 мм), обеспечивающих плавное изменение контуров от одного базисного сечения до другого. Кусочно-линейность интерполяции заключается в том, что между каждой парой базисных сечений интерполяция производится независимо и линейно.

Рассмотрим 2 последовательных базисных сечения плоскостями ТГ, и У2 трехмерного тела О ; пусть в них определяются плоские области С1 и которые для начала предполагаются односвязными и ограниченными замкнутыми контурами 71 и 7г соответственно.

■ Случай выпуклых областей и С^. По определению частью тела П12 , расположенной между плоскостями У1 и.У2, будем считать множество точек, принадлежащих отрезкам 1А,В) таким, что А с С1,

в е С2.

Такш образом, при дискретном представлении координат достаточно перебором всех пар плоских ячеек (т^.г^) области С1 и (х2к,2;2т) области С2 пометить элементарные объемные ячейки, которые пересекает соответствующий отрезок.

В действительности, как показано в работе, благодаря разработанному методу послойного и внутрисловного упорядоченного представления, этого перебора можно избежать. Суть этого представления заключается в том, что множество объемных ячеек Упорядочивается сначала по у, затем то г; при этом потребуется хранить (и обрабатывать) не все ячейки, а только граничные ячейки "столбиков" ^х_1ап,о:+}ап} для каждой пары {ук,2т}. Поскольку речь пока идет только о выпуклых плоских областях и С2, достаточно соединить только пары точек из ограничивающих контуров 71 и 72 ,( и притом, как показано в работе, далеко не все такие пары), в результате все ячейки П12 могут быть представлены упорядоченной совокупностью граничных точек:

ЭТ0М 11аРаллельно решается задача более компактного представления объемной модели (чем перечисление всех ячеек).

Случай невыпуклых областей. Пусть теперь хотя бы одна из областей , С2 невыпукла (в частности, несвязна.). В этом случае идея алгоритма состоит в: 1)разбиении невыпуклых областей отрезками прямых, параллельных одной из осей, на выпуклые компоненты, 2^становлении между выпуклыми компонентами С1 и С2 соответствия (не обязательно взаимно-однозначного), 3)построении тел для каждой пары соответствующих выпуклых компонент, и 4 последующего объединения восстановленных тел. Для разбиения области на выпуклые компоненты вводится понятие локальной вогнутости ограничивающего ее контура, и обходом его выявляются точки, в которых локальная вогнутость превышает некоторое пороговое значение б.

Установление соответствия между выпуклыми компонентами в соседних сечениях достигается совмещением их по габаритным размерам и введением мери "соответствия" и ^ между каждой парой сопоставляемых подобластей. Решение задачи о назначении по критерию минимума суммы для* матрицы дает паРи

сходственных подобластей, между которыми и производится интерполяция указанным выше способом. Объединением полученных ■ в

результатв тел достигается реконструкция объекта з целом.

На рис I дается пример построения промежуточных сечений,плавно изменяющих плоское сечение структуры Р1ги от Оазисного сечения 2.5 мм до ближайшего базисного сечения 3.5 мм.

Случай неодносвязных областей. Рассмотрим теперь случай, когда хотя бы одна из областей, являюцася сечением тела С1 , неодносвязна, т.е. ограничена одним внешним контуром и одним или более внутренними контурами. Предлагаемый подход заключается в реконструкции такого тела П как суперпозиции следующего вида:

П = П \ (ы1 и ... и ) ,

где П - тело, восстанавливаемое по внешним контурам исходного тела о (т.е. пополненное пространством "полостей" , 1=1,...,к). Таким образом, реконструкция объекта П, с.ечения которого содержат

неодносвязные области, сводится к независимой реконструкции п и тел и., .

¿.5

«г

Л

2. Г

0

2.9

&> 3/

3.7

я

Л.6 ^ 2_&

3.0

5. г

Рис. I. Реконструкция структуры Ptru на дистанции 2.5 - 3.5 мм (в рамках - базисные сечения).

Полная модель всей области получается в результате упорядоченной суперпозиции моделей отдельных структур.

Для каждого из этих этапов предложены и обоснованы алгоритмы. На основе разработашшх алгоритмов был создан пакет программ 3-х мерной реконструкции для компьютера PC/AT, на языке PASCAL. .С помощью разработанного матобеспечения была реконструирована 3-

мерная объемная модель таламуса и прилежащих структур, которая благодаря компактному представлению требует чуть более 3 Мб дисковой памяти.

Глава 4 посвящена механико-математическим аспектам стерео-таксического нацеливания и вопросам стереотаксических расчетов координат.

При первоначальном нацеливании инструмента в ходе стереотзксической операции используется специальный механический вычислительный стенд, называемый фантолныл устройствол (ФУ). Однако в дальнейшем ходе операции возможности его использования Еесьма ограничены.

В ходе операции нейрохирургу необходимо убедиться в том, что рассчитанная точка принадлежит' именно запланированной мишени. Для этого производится физиологическая идентификация, суть которой-состоит в пробной электростимуляции различных точек окрестности мишени и наблюдении возникающей при этом реакции больного. Электросткмуляция производится с помощью специального упругого дугообразного выдвижного стилета, конец которого является электродом. При использовании выдеижного стилета нейрохирург не может всякий раз определять положение конца электрода относительно мозговых структур с помощью ФУ, и действует,опираясь, в основном, на интуицию. Усовершенствование методики, предлагаемое в работе, связано с предоставлением возможности получать и в этом случае точные значения координат, и сверх того, наблюдать текущее' положение электрода на фоне изображения области интереса на экране компьютера.

В работе получены формулы для расчета координат конца стилета в зависимости от неоперативных паралетров : координат точки мишени и углов наклона канюли, а также оперативных паралетров : глубины погружения канюли, угла и длины выдвижения стилета. Получены также формулы обратного преобразования.

Кроме того, получены конечные формулы для определения ой.юсти достихилоатх в заданнол плоаюл сечении - т.е. множества точек сечения, которые могут быть достигнуты концом стилета при варьировании оперативных координат при заданных значениях неоперативных параметров.

В Главе 5 описаны реализация метода трехмерной реконструкции, способы представления дашшх в памяти компьютера и методы доступа к ним. Приведен ряд примеров реконструкции отдельных структур и

выделенной области мозга в целом. Обоснован подход к задаче ассистирования в ходе стереотаксических вмешательств.

Избранный в работе подход, в отличие от работ, описанных в • литературе, существенно разделяет задачу построения объемной модели и задачу ее использования в ходе компьютерного ассистирования при обучении, планировании и проведении стереотаксических вмешательств. Первая представляет собой длительную и трудоемкую процедуру, требующую в ряде случаев оценки и корректирующего вмешательства специалистов ( такая возможность также предусмотрена в математическом обеспечении). Однако она выполняется один раз, и итогом ее является построенная модель.

Задача ассистирования, основанная на адаптации и использовании модели, является задачей пользователя и требует специфических гибких средств оперативного получения необходимой информации и синтеза необходимых изображений. Для этого разработана специальная программная система, позволяющая, в частности:

-синтезировать карты плоских сечений произвольного положения с окраской структур выбранными цветами; -строить увеличенные изображения нужных фрагментов; -манипулировать курсором и производить необходимые расчеты координат -и параметров по положению курсора на изображении; -адаптировать модель к индивидуальным ориентиром пациента; -строить изометрические изображения отдельных структур и их агрегатов с возможностью управления ориентацией осей, стиранием невидимых линий;

-управлять цветами окраски структур на изображениях.

Система работает в диалоговом режиме, предлагая пользователю меню возможных действий.

Использование разработанной системы позволяет по-новому подойти к планированию стереотаксических вмешательств. В частности, появляется принципиально новая возможность предварительной проработки подхода к мишени и определения зоны возможной деструкции с целью ее оптимизации по определенному критерию. Кроме того, становится возможным точный расчет стереотаксических координат точки цели, намеченной по стандартному атласу, в соответствии с анатомическими ориентирами данного пациента и фиксацией аппарата .на его голове.

Рис.2. Фрагмент сечения с указанием области достижимости.

Рис.3. Изометрическое изображение компекса структур.

В диссертации анализируется проблема адаптации модели к индивидуальным ориентирам пациента. Источником такой информации могут быть рентгенологические исследования (КТ, вентрикулография, ЯМР-томография), а также данные электрофиз*галогических

исследований. Поставлена задача создания на базе модели физиологического атласа таламуса по прецедентам локализации структур, выявляемым в ходе операции.

В диссертации проведена верификация построенной ?,юдэ./1и, в частности, путем сопоставления фронтальных к гор,понг.слы:их сечений модели с соответствующими картами, имеющимися в атласе. Для количественной оценки введена дера осстветспвчя , значение которой колеблется для исследованных случаев от 70% до 908 и, как правило, связано с противоречивостью данных самого атласа.

На основе модели были рассчитаны площади контакта для всех пар соседних структур; кроме того, вычислены объемы и полные площади поверхности для всех структур. Эти данные, насколько известно, в литературе по количественной морфолог;ш мозга не приводились. Результаты были сведены в таблицу смежности структур, элементы которой есть значения площади контакта соответствующих пар, выраженные в абсолютных и относительных величинах.

На основе построенных алгоритмов была разработана система компьютерного ассистирования для т.н. открытых стпереотснссических влештельств - для удаления глубоко расположенных малоразмерных новообразований мозга. В таких операциях удаление очага производится путем его лазерного послойного выпариванил; луч лазера направляется через специальную трубку, внэдряемую в

•Рис. 4. Удаляемый срез на фоне апертуры трубки

вещестзо мозга с помощью стереотаксичеекой методики. Объемная модель очага деструкции строится в этом случае оперативно непосредствено по данным компьютерной томографии; задача состоит в синтезе не экране изображения текущего удаляемого слоя на фоне апертуры трубки (рис. 4).

В Приложениях приведены: I¡откорректированные контурные карты сагиттальных сечений области таламуса и прилежащих образованкй-исходные данные для модели, 2)список 112 рассматриваемых структур, '3)мзтрица смежности структур, 4)методика расчета сечения произвольного положения.

ВЫВОДЫ

1. Стереотаксическая нейрохирургия нуждается в технологических усовершенствованиях,связанных с визуализацией области манипуляций, доступа к ней и наведения инструмента средствами компьютерного ассистирования.

2. В качестве основы такого ассистирования может служить стандартный персональный компьютер класса IBM PC/AT с развитой цветной графикой и специальным прикладным математическим обеспечением, включавдим, в частности:

-пакет программ для реконструкции объемной модели объекта сложной и существенно неправильной формы на основе системы плоскопараллельных сечений;

-собственно восстановленную объемную модель области интереса; -пакет сервисных программ для ассистирования.

3. Центральная проблема состоит в построении математической модели сложно-структурированного 3-мерного объекта, заданного системой плоско-параллельных сечений. В диссертации разработан подход к ней, не связанный с явными предположениями о форме объекта, что отличается от известных подходов и обусловлено спецификой исходного материала.

4. Основу этого подхода образует предложенная процедура объемной интерполяции, включающая разбиение плоских областей в заданных сечениях на связные выпуклые части, кденти$икацию сходственных элементов в разных сечениях ц кусочно-линейное восстановление промажу точных элементов объема в пределах кажлого слоя, определяемого системой базисных сечений.

5. Разработаны алгоритмы для всех подзадач 3-мерной реконструкции сложно-структурированного объекта по плоско-параллельным сечениям, и реализованы в виде программной системы.

6. По картам сагиттальных сечений мозга из атласа Ыальтен-бранда-Бейли реконструирована полная модель подкорковых образований,включающая по 112 образований каждой половины таламуса и прилежащих структур (колпъхперный стереотаксичесиий aruac ).

7. На базе компьютерного атласа разработана пользовательская программная система для компьютерного ассистирования в стереотаксической нейрохирургии. Разработан вариант такой системы для открытой стереотаксической нейрохирургии новообразований по компьютерным томограммам. Обе системы внедрены в практику в НИМ нейрохирургии им. H.H. Бурденко АМН СССР.

8. Предложена концепция математического моделирования стерео-анатомии мозга, предполагающая помимо изометрического изображения объекта на экране, синтеза карт специально ориентированных плоских сечений,- рассмотрение ее еще и в качестве источника разнообразной "вторичной" и обобщенной информации о мозге. Получены пмкальные фактические данные о пространственных параметрах рассматриваемых образований: объемы всех структур, площади полных поверхностей, граф анатомического соседства с абсолютными и относительными значениями площадей контакта.

9. Разработаны методы компактного представления модели в памяти компьютера, обеспечивающие быстрый доступ.

10. Поставлена и решена задача Оостихилоот точек стереотаксического пространства дугообразным выдвижным электродом при заданном фиксированном положении аппарата на голове пациента. Получены формулы для "областей достижимости" в произвольном плоском сечении объекта.

11. Намечены пути верификации модели и индивидуальной подстройки, к анатомическим ориентирам пациента, а также пути создания физиологического компьютерного стереоатласа как банка данных по прецедентам локализации структур, верифицируемым с помощью физиологических тестов в юде стереотаксических операций.

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Казарновская М.И., Бородкин С.М., Кривошеина В.Я. и др.

Трехмерная реконструкция модели талвмусе и прилежащих структур человека// Проблемы неЯрокибернетики (Материалы IX Всесоюзной конференции), Ростов-на-Дону, 1989, с. 437-438.

2. Казарновская М.И., Бородкин С.М., Шабалов В.А. и др. Трехмерная реконструкция области таламуса и прилежащих струкрур мозга человека// Третий международный симпозиум "Функциональная нейрохирургия", Тезисы докладов,Тбилиси, 1990, с. 122-123.

3. Казарновская М.И., Бородкин С.М., Шабалов В. А. и др. Математическая объемная модель зрительного бугра и прилежащих структур и возможности ее применения в стереотаксической нейрохирургии/ Вопросы нейрохирургии, 1990, N6, с.6-8.

4. Kazarnovekaya M.I., BorodKin S.M., Shabalov V.A. et al 3-D computer model, of subcortical .brain structures ior stereotactic neurosurgery/'/ Materials of IX European congress oi neurosurgery, Moscow, 1991, p. 303.

5. Казарновская М.И., Кривошеина В.Я. Программный комплекс для трехмерной реконструкции и визуализации сложных объектов на базе ПЭВМ/ Новые информационные технологии, 1991, N 2, с. 29-31.

6. Kazamovekaya M.I., Borodkin S.M., Shabalov V.A. et al 3-D computer model of subcortical brain structures/ Computers In Biology and Medicine, 1991, 21:6,-p. 451-457.'

Зак., 170 тир.100 отJ1.03.1992г.ВНИИ1