Введение к работе
їсгр-Гц;:;і j
Актуальность темы диссертации. Функциональная стереотаксическая нєиротируріия нацолепа на хирургическое лечениэ функциональных расстройств, спязакннх с патологическими процессами в глубинных структурах при анатомически сохранном мозге. Вариабельность пространственного расположения некоторых ваясых анатомических структур относительно невелика. Это относится в первую очередь к области подкорковых образовании мозгз, содержащей важные и труднодоступные структуры - зрительный бугор (шлалус) и прилежащие к нему образования. Метод доступа к нужным структурам при стереотаксическил операциях состоит в том, что, сопоставляя индивидуальные пространственные ориентиры, полученные по данным рентгеновских обследований больного, со специальными атласами, можно рассчитаїь координаты зоны-мишени и с помощью специального аппарата, укрепляемого на голове пациента, с высокой точностью ввести инструмент через небольпоо отверстие в черепе в заранее рассчитанную точку, чтобы выполнить хирургическое вмешательство. Характер вмешательства чаще всего - электростимуляция, крио-, термо- или электро-деструкция. Стереотаксические операции значительно менее травматичны в сравнении с обширными прямыми вмешательстваиі, и, в отличив от них, обеспечивают доступ к глубинным областям мозга.
Таламус представляет собой комплекс сложно организованных ядер, расположенных па 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). Каждая система представлена І&-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
структур. а также трудностью их локализации. Кроме того, существует определенная индивидуальная вариабельность оОъемной 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 компьютерное тслографии (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 объелной интерполяции была восстановлена полная лоОелъ 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 ооразований мозга- человека по картам атласа
(кампыащзнни стереотаксический атлас); - создать систему компьютерного обеспечения подготовки и проведения стереотаксических вмешательств на головном мозге. а также разработать компьютерные средства обучения стереоанатомии мозга.
Задачи исследования н 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; Оразработать 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 mozot претерпевать значительные изменения между соседними сечениями. Впервые поставлена и решена задача полномасштабного математического моделирования стереоанатомии важнейших образований мозга, включающих ядра таламуса и прилежащие структуры. Разработан новый подход к кхтызпернолу ассистирования при стереотаксической нейрохирургии, отличающийся от известных тем, что в его основе лекит оперативный синтез раскрашенных карт произвольно ориентированных плоских сечений объекта, что оказывается удобным даге при большом числе структур и слогностп 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 пе приводились. Веєдєн ряд усовершенствований в технологию стереотаксических расчетов. Впервые пдеп коаіьвтериого ассястнроваїшя, ісоторкз ранее .рассматривались преимущественно в принципиальном плане, доведены до реализации в виде нескольких законченных специалггаироБашшх программных продуктов, испытанных п прпкеняеках в практической нейрохирургии.
Практическая значимость. Разработанные методы я алгор:пги
-є-
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 мигаени и окружающих ее структур, и в конечном итоге повышает эффективность лэчония. 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. Н.Н. 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-91н.
Публикации. Основные результаты работ по теме диссертации изложены в G публикациях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, Ь глав, выводов, списка литературы, 4 приложений к содержит 141 страницу основного текста и 54 рисунка. Список литературы содержит 46 названий.