Способ тотальной количественной оценки миокарда желудочков сердца по результатам выборочного стереологического анализа

 

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в патологической и нормальной анатомии в целях клинической диагностики и научного исследования. Способ включает составление топографической схемы-карты стенок желудочков сердца и аппроксимации их поверхностей через точки диагностики миокарда сеткой из треугольных элементов. Это действие в зависимости от цели может быть тотальным или зональным. Взятие диагностических проб осуществляется только в обозначенных на схеме-карте точках диагностики миокарда. Для взятия проб применяется пробойник стандартного диаметра. На заключительном этапе стереологическая информация минимизируется путем статистического интерполирования в каждом треугольном элементе аппроксимирующей решетки. Стереологическую информацию получают путем расчета барицентрических координат или пространственно-инвариантным вычислением. Изобретение позволяет повысить точность и информативность количественной оценки структур миокарда. 3 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области медицины, а именно может быть использовано в патологической и нормальной анатомии, в целях клинической диагностики и научного исследования.

Известен способ количественной оценки структур миокарда желудочков сердца путем иссечения его ткани, приготовления гистологических срезов и их стереологического исследования [1, 2]. При этом удовлетворялись лишь словесным описанием топографо-анатомических координат иссечения миокарда (диагностики миокарда).

Таким образом, указанный способ имеет недостатки: самое грамотное иссечение кусочка миокарда по сути является случайной переменной, а топографически - лишь приблизительно определенным действием. При этом стереологический анализ взятого материала не дает представления о тотальном состоянии сердечной мышцы, об изменчивости миокарда в соседних участках. Но именно топографическое выделение гипо-, гипер- и нормотензивных зон миокарда желудочков сердца кардиология определила как задачу номер один современной диагностики и лечения ИБС [7].

Цель изобретения - повышение точности и информативности способа количественной оценки структур миокарда.

Поставленная цель достигается: 1) составляют топографическую схему-карту сердца с указанием мест диагностики миокарда; 2) стандартизируют взятие диагностических проб миокарда и их морфометрию; 3) преобразуют конечную стереологическую информацию в форму, необходимую для достижения цели.

Топографическая схема-карта диагностики миокарда Поскольку миокард желудочков представляет собой тело, он имеет поверхность Т*.

T*_(Vo) и {T*_(V)} - исходная точка и множество точек (состояний) поверхности Т*.

T*_(Vo)-->T*_(V)=S*_(V) - переход от исходной точки поверхности к последующей есть преобразование поверхности.

Согласно [3] - аналог с.17, с.20: если {T*_(V)} - последовательность множества точек поверхности Т* и если {S*_(V)} - последовательность преобразований поверхности Т*, то T*_(Vo) --> T*_(V)=S*_(V)•T*_(Vo) - что значит "составляющие Т* находятся во взаимосвязи и непрерывном однозначном соответствии"; если S*_(V) ∈ {S*_(V)} - то есть "всякое преобразование принадлежит к множеству преобразований поверхности Т*", то топология Т* во всех состояниях {T*_(V)} - "тотально одинакова".

Очевидно, что {Т*_(V)} может соответствовать только мезокарду или эпикарду, или эндокарду в случае специального выделения последних как самостоятельных физических тел.

Согласно нашим условиям, Т* миокарда, одинаково состоящая из множества T*_(V), в том числе имеет точки диагностики - биометрические, стереометрические характеристики проб миокарда (T₀₀ 1...n). Легко доказать, что при большом количестве точек диагностики, они будут представлять "изображение" порядка n•n. "Изображение" обозначает объект, вид которого изменяется от точки к точке (T₀₀ 1...n), если имеют в виду места диагностики стенки сердца, согласно составленной схеме-карте и результаты количественных определений в них.

Согласно [4] - аналог (с.4-10), "Изображение - распространенный термин специальной литературы, предназначенный для определения и кодирования визуальной информации: в кодировании изображений аппроксимация неотделима от преобразования поверхности, так как позволяет провести дискретизацию изображения (замену непрерывных функций их отсчетами)".

Согласно нашему условию, предварительно используя схему-карту, внешнюю поверхность обоих желудочков сердца, аппроксимировали сетью, путем соединения упомянутых выше точек диагностики (из множества точек поверхности Т*) отрезками прямой линии, в результате чего изображение полностью разбивалось на некоторое число треугольных (Δ) полей ("кадров"). При такой геометрии, следуя расчетам авторов [4], "моделирование статистического метода кодирования предпочтительно, а интерполяция строится с учетом статистической зависимости между яркостями сразу в нескольких отсчетных точках (3-4) поля изображения". Эффективность метода оценивается степенью сжатия информации в 2-3 раза и более.

Стандартизация взятия диагностических проб миокарда и их морфометрия Данное действие устойчиво и многократно воспроизводилось при соблюдении следующих условий: 1. Перед началом серийного или разового взятия диагностических проб миокарда готовили аппроксимированную схему-карту сердца с указанием точек диагностики, нумеровали эти точки в любой (но постоянной) последовательности и в одинаковом количестве. В момент взятия диагностических проб ориентировались по схеме-карте, каждую диагностическую пробу обозначали номером соответствующей точки на схеме-карте. Размеры сердца при этом желательны, но необязательны. Мы чаще пользовались общепринятыми стандартами. Перечисленная последовательность действий обязательна в работе с постмортальным сердцем животных и человека.

2. Взятие диагностических проб во время оперативных вмешательств на сердце человека (ранение сердца, реконструктивные операции с вскрытием полостей желудочков) осложнялись уникальностью случая и трудностями доступа к сердцу. Поэтому всякий раз сначала брали диагностические пробы, а следом обозначали их место на схеме-карте сердца. Успешным считалось взятие 3-4 диагностических проб на достаточном расстоянии, что позволяло аппроксимировать исследованный участок стенки сердца. Такой способ назовем "локальной количественной оценкой миокарда желудочков".

3. Диагностика миокарда желудочков проводилась одним и тем же металлическим перфоратором, который состоит из полой тонкостенной трубки и плотно вставленного в нее выталкивателя. Постоянным должен быть внутренний диаметр трубки, от этого зависит площадь и объем полученной пробы миокарда.

4. Образцы миокарда стандартно фиксировали и готовили гистологические срезы.

5. Морфометрию проводили выверенными по ГОСТу оптическими средствами.

Преобразование конечной стереологической информации Стереологическая информация возникает там, где она физически измерена. В нашем случае - это пробы миокарда, извлеченные в точках диагностики миокарда, топографически (схема-карта) и в цифровом порядке обозначенные. Нумеровав в той же последовательности все стереологические замеры (T₀₀ 1...n), получили базу данных, где точки диагностики стали точками отсчета аппроксимирующей системы. При серийной обработке материала замеры (T₀₀ 1...n) обозначались средневзвешенными величинами. Главная задача преобразования стереологической информации осуществлялась после полного общепринятого стереологического исследования. При этом руководствовались следующим:
1. Считали исходным статистический метод кодирования информации, позволяющим максимально сжать информацию, позволяющим интерполировать через три точки отсчета аппроксимирующей сетки и представлять различие между предыдущим и последующим кадрами изображения [4] - аналог, с.6, с.11. Недостатком данного метода авторы считают его малую помехоустойчивость и искажение результатов по мере увеличения площади интерполяции.

2. Более точный вариант статистического кода, названный автором "статистическое дифференцирование" [5] - аналог, с.122, с.48, выгодно отличается тем, что "не зависит от положения обрабатываемой области на изображении". Автор [5] предложил "выделить обрабатываемую функцию (f) из общего числа функций (G) во всем изображении и в его элементе (кадре) как не изменяющую геометрическую структуру изображения и не зависящую от других элементов", подобно тому, когда изменение контраста телеизображения не влияет на его положение. Тогда любые преобразования (S*_V), в том числе интерполяция f будут пространственно-инвариантным вычислением [5] - аналог, с.48-50. Следовательно, по автору [5], с.122, "усреднение (ϕ) зависит только от f":
ϕ = Σ(f-f)/σ и σ(x,y) = [∫∫N_x,y(f-f)²]^1/2,
где N- окрестность точки отсчета аппроксимирующей сети; f - результат усреднения вокруг каждой точки отсчета среди (T*_V); σ - стандартное отклонение значений f в окрестности N.

Таким образом, если окрестность элементарного поля Δ (N_x,y) аппроксимирующей сети будет иметь примерно равное значение f(х,у), то усреднение - ϕ увеличится, в противном случае усреднение ϕ уменьшится.

3. Статистический метод кодирования с усреднением информации в треугольных ячейках (кадрах) аппроксимирующей сети следует также из теоремы 11, 12 [6] - аналог, с.76-78, с.84-86, - "о барицентрических координатах на плоскости". Для треугольников (Δ), не имеющих прямых углов, с произвольной точкой М внутри "всегда найдутся такие значения барицентрических координат (m₁; m₂; m₃), что точка М будет центроидом". Следовательно, усреднение в данном случае можно выразить короче:
mZ = ΣⁿmA_1-2-3/3n,
где mZ - усредненное значение барицентрических координат в центроиде треугольника ΔА₁А₂А₃; Σm A_1-2-3 - сумма барицентрических координат в вершинах треугольника ΔA₁A₂A₃; n - условие, удовлетворяющее m₁+m₂+m₃=1; m - масса.

Резюмируя, следует отметить: задача локального, зонального и тотального исследования миокарда желудочка сердца актуальна. Стереометрический анализ позволяет констатировать структурную изменчивость миокарда. Старые понятия "площадь среза", "масса миокарда", метод их оценки уже мало эффективны. В данном случае предлагается сначала кодировать миокард желудочков, выяснить топографию элементов аппроксимирующей сетки и места выборочного стереологического анализа. Результаты стандартно проведенного стереологического исследования мышцы желудочков сердца использовать как отсчетные точки аппроксимирующей системы. Провести интерполяцию стереологической информации за счет пространственно-инвариантных преобразований или метода барицентрических координат, получить таким образом усредненные стереологические характеристики каждого элемента аппроксимирующей сетки в отдельности. На заключительном этапе путем сложения частных количественных характеристик элементов аппроксимирующей сетки в нужной последовательности получаем решение задачи. Прототипов по общим и частным признакам данному сообщению в литературе, в том числе зарубежной, до сентября 2000 г. не найдено. В чисто клиническом плане стремление формализовать результаты визуализации сердца пациентов при ЭхоКГ (при необходимости - ЧП-ЭхоКГ, 3D ЭхоКГ), применении ядерно-магнитного резонанса, позитронно-эмиссионной томографии (на полученных фотодокументах) привело к автоматическому делению миокарда желудочка на сектора, сегменты. В 1980 г. Американским Обществом эхокардиографии предложена классификация сегментарного деления ЛЖ. Изменение геометрии ЛЖ имеют большое значение при выявлении доклинической стадии сердечной недостаточности и ИБС[7] с.290, 163, 151, 86.

Способ тотальной количественной оценки миокарда желудочков сердца по результатам выборочного стереологического анализа осуществляли следующим образом. На основании стандартных размеров и конфигураций сердца животного (кошка), человека, а также при использовании определенных в эксперименте данных того же порядка (исследовали сердца здоровых животных и случайно погибших людей) предварительно составляли схему-карту сердца в четырех позициях (или на макете). Для этого отмечали положение 18 точек поверхности желудочков и назвали их "точки диагностики миокарда". Это первоначальное эвристическое действие в дальнейшем служило эталоном и ни разу не менялось по ходу исследования (табл. 1, фиг.2). Следующим шагом схему-карту желудочков сердца аппроксимировали путем соединения точек диагностики отрезками прямых линий, результатом чего стало разбиение (кодирование) поверхности обоих желудочков сердца на 28 полей Δ (кадров), ограниченных аппроксимирующей сеткой. Каждое поле имело форму треугольника (без прямых углов), три вершины и в них три отсчетные точки - "точки диагностики миокарда" (табл. 1, фиг.2). Таким образом, выполнение первого шага блок-схемы исследований (фиг.1) является примером гладкой аппроксимации, не нарушающей общей структуры органа [1,2] . Все точки диагностики миокарда и элементарные поля Δ(S_ΔΔ) аппроксимирующей сети нумеровали в абсолютно разной, но неизменной, линейной последовательности. Для конкретизации _ΔΔ (табл.1,а) обозначали треугольные площади Δ(S_ΔΔ) дополнительно указанием номеров диагностических проб (T₀₀) в трех вершинах, буквенно обозначали принадлежность полей Δ к зонам. Животных по ходу кетаминового наркоза и введения 2% хлоралгидрата в клизме забивали. Сердце выделяли, промывали от остатков крови, взвешивали и измеряли в низкотемпературной камере от -20 до -30^oС. На препарате желудочков сердца в топографически обозначенных точках отсчета аппрокимирующей сетки тонкостенным металлический перфоратором, осторожно вращая его, пронизывали стенку желудочка со стороны эпикарда насквозь до упора в палец другой руки, введенный в полость желудочка (см. фиг.3). Пробойник извлекали, поршнем выталкивали цилиндрическую пробу на лист фильтровальной бумаги, измеряли. Так как отношение частей стенки сердца в пробе не меняется, легко измерить длину L каждой части (эпикард, миокард, эндокард) и объем V = (πD³/4)L. Диаметр D³ определяется измерением отверстия пробойника (например, 2,5 мм). Пробы-образцы фиксировали 4% параформальдегидом в чашке Петри на кусочках обозначенной фильтровальной бумаги, промывали фосфорным буфером, укладывали в фасетный блок печени и заклеивали 3% раствором желатина. В максимальном стандарте готовили продольные и поперечные срезы, проводили стереометрический анализ (СТМА). Результаты записывали по точкам диагностики и по блокам из них (T₀₀). В табл. 3 представлены значения V_i ^m при величине площади сетки Вейбеля А_T-1=0,3281 мм² (ув. х 120), и при величине площади сетки А_T-2=124,5 мкм² (ув. х 1350), а средняя толщина срезов 10,86 мкм.

СТМА: срезы миокарда нестандартной толщины (10,86 мкм) отбрасывали. С помощью многоцелевой стереометрической сетки Вейбеля определяли 2 группы стереометрических показателей: _T, S_T, N_T - объем, площадь, число структур в тестовом объеме; находили V_i, S_i, N_i (символы стереологической номенклатуры) - совокупный объем, совокупная площадь, совокупная численность изучаемых структур площади среза; подсчитав число точек сетки Вейбеля (P_i), приходящихся на изучаемую структуру, находили V_Vi=P_i/Р_T, S_Vi=S_i/V_T - долевые величины объема и поверхности структуры [2]. Статистический анализ результатов измерений проводили согласно общим правилам [1]. Достоверность статистических различий определяли критерием χ² и t. Получали результаты в каждой точке диагностики и обозначали их символом T₀₀ 1...18 (табл. 3). Стереометрическую оценку элементарных полей Δ (кадров) аппроксимирующей системы находили интерполяцией независимой функции f, то есть усреднением - ϕ значений T₀₀ в трех необходимых точках отсчета - "точках диагностики" методом пространственно-вариантных вычислений [5], а также методом барицентрических координат [6] . Таким образом, по первому методу находили ±a = Σf-f и aϕ = a²/σ² - коэффициент статистического дифференцирования; по второму методу находили среднее значение стереометрического показателя для одного Δ-ка A_cp = ΣA_l.n/3n и mZd - статистически значимый предел дифференцирования mА (термины наши). Представленный (табл. 2) алгоритм СТМА и последующих преобразований стереологической информации осуществлен на примере определения совокупного объема миокарда в интрамуральной (mesocardium) части стенки желудочка сердца. Это не значит, что алгоритм не применим для расчета других стереометрических характеристик. Наоборот, при подстановке других значений он будет осуществляться также.

Наконец, тотальная количественная оценка миокарда желудочков сердца рутинно осуществима путем последовательного сложения количественных стереометрических показателей всех элементарных полей Δ (кадров) аппроксимированной системы желудочков сердца, данные о которых представлены (табл. 4). Абсолютные стереологические характеристики получали по общим правилам:
Si тот = Svi•Vaбc; Vi•Vaбc = Vi тот - символы стереометрической номенклатуры; Vaбc - абсолютный объем органа (миокарда).

Способ апробирован на животных, на человеке, запрограммирован на ЭВМ.

ЛИТЕРАТУРА
1. Г.Г.Автандилов, Н.И.Яблучанский, К.А.Салбиев, Л.М.Непомнящих. Количественная морфология и математическое моделирование инфаркта миокарда. "Наука", Сибирское отд., Новосибирск, 1984. - 278 с.

2. Г.Г.Автандилов, Н.И.Яблучанский, В.Г.Губенко. Системная стереометрия в изучении патологического процесса. "Медицина", М. 1981. - 190 с.

3. В. С.Файн. Алгоритмическое моделирование формообразования М.: Изд-во "Наука", 1975. - 98 с.

4. Е. А. Бутаков, В.И.Островский, И.Л.Фадеев. Обработка изображений на ЭВМ. М.: Изд-во "Радио и связь", 1987. - 235 с.

5. Арнольд Розенфельд. Распознавание и обработка изображений. М.: Изд-во "Мир", 1972. (пер. с англ. США) - 227 с.

6. М.Б.Балк, В.Г.Болтянский. Геометрия масс. М.: Изд-во "Наука", 1987. - 159 с.

7. Труды первого международного форума "Кардиология - 99". М.: Изд-во "Mopaг -ЭКСПО" 1999. - 330 с.

Формула изобретения

Способ тотальной количественной оценки миокарда желудочков сердца по результатам выборочного стереологического анализа, заключающийся в том, что составляют топографическую схему-карту с указанием мест диагностики, аппроксимируют поверхность желудочков сердца путем соединения отрезками прямых всех точек отсчета с образованием аппроксимирующей сетки из суммы треугольных элементов, извлекают пробы для их биометрии в топографически обозначенных точках отсчета аппроксимирующей сетки, проводят интерполяцию стереологической информации за счет пространственно-инвариантных преобразований или метода барицентрических координат, а тотальную характеристику миокарда получают путем соединения результатов вычислений во всех треугольных элементах аппроксимирующей сетки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7