Разработка программных средств математического имитационного моделирования на основе клинических данных и фантомных исследований для оценки перфузии головного мозга и повышения качества изображений при ОФЭКТ/КТ с 99mTc-ГМПАО

Цель: Разработка программного комплекса «Виртуальное обследование перфузии головного мозга методом ОФЭКТ/КТ с ^99mTc-ГМПАО (Теоксимом)» и его практическое применение для изучения условий достижения наилучшего качества изображений при клинических исследованиях пациентов.

Материал и методы: Исследования были выполнены с использованием клинических данных и метода имитационного компьютерного моделирования. Клинические данные однофотонной эмиссионной компьютерной томографии, совмещённой с рентгеновской компьютерной томографией (ОФЭКТ/КТ) с ^99mTc-гексаметилпропиленаминоксимом (^99mTc-Теоксимом, пр-ва ООО «ДИАМЕД») пациента с перенесенным ишемическим инсультом коры правой лобной доли были получены на двухдетекторном сканере GE Discovery NM/CT 670 DR (США) с использованием высокоразрешающих низкоэнергетических коллиматоров (LEHR). Измеренные данные были обработаны с помощью специализированного программного обеспечения Q.Brain и Q.Volumetrix MI на рабочей станции Xeleris 4.0 DR (GE Healthcare, США) для получения реконструированных аксиальных томографических срезов. Для проведения имитационного компьютерного моделирования процедуры обследования перфузии ГМ методом ОФЭКТ/КТ разработан программный комплекс, который включает математический фантом Хоффмана с возможностью моделирования клинических случаев гипоперфузии разной локализации и размера («виртуальный пациент»), моделирование сбора «сырых» проекционных данных и программу реконструкции изображений на основе алгоритма OSEM (Ordered Subset Expectation Maximization). Важным преимуществом метода математического моделирования является возможность оценки качества реконструированного изображения с помощью расчета среднеквадратичной погрешности при сравнении с заданным фантомом. В численных экспериментах исследовалась зависимость погрешности реконструкции от параметров алгоритма OSEM (от количества подгрупп – subsets, и от числа итераций) с целью определения условий достижения наилучшего качества изображений. Был разработан и протестирован статистический критерий останова.

Результаты: Разработан и протестирован программный комплекс, который позволяет исследовать ошибки алгоритма реконструкции, что представляет большую трудность при использовании клинических методов исследования. Предложен критерий останова итераций при применении алгоритма реконструкции OSEM – минимизации функционала отклонения функции хи-квадрат от целевого значения, при этом пикселы детектора с ненулевыми значениями объединены в блоки по схеме 2×2.

Наблюдается достоверная хорошая корреляция между предложенным критерием останова и минимумом среднеквадратичной погрешности реконструкции изображения. Это позволяет вввести этот критерий в клиническую практику применения вычислительных средств реконструкции срезов ОФЭКТ для получения наилучшего изображения.

Результаты имитационного моделирования продемонстрировали возможность сокращения времени накопления «сырых» данных, в течение которого пациент должен оставаться неподвижным, как минимум, в два раза.

Заключение: Развитый в данной работе метод компьютерного имитационного моделирования является практически полезной технологией, которая способствует оптимизации использования ОФЭКТ для достижения наилучших возможных результатов визуализации головного мозга у пациентов.