В настоящее время уровень развития детской хирургии предполагает использование новых технических решений для визуализации пораженных органов пациента, а также детальной оценки характера патологических изменений, обуславливающих течение и прогноз заболевания. Комплексная оценка этих данных приобретает особое значение на этапе планирования и в процессе проведения хирургических вмешательств у новорожденных детей. Современная неонатальная хирургия стремится к проведению минимально инвазивных оперативных вмешательств для коррекции врожденных пороков развития. Предпочтение отдается эндоскопическим хирургическим доступам, которые доказали свою эффективность. Однако они технически сложны и сопровождаются повышенными интраоперационными рисками [1–3]. Современные методы исследования и технологии обработки визуальной информации, включающие компьютерную графику, служат основой для решения технической задачи автоматизированного сопровождения работы хирурга в естественной среде и условиях дополненной реальности [4].
Врожденные пороки развития легких (бронхолегочная секвестрация (БЛС) и кистозно-аденоматозная мальформация легкого (КАМЛ)) встречаются с частотой от 1:8000 до 1:35000 живорожденных детей и характеризуются наличием разного размера участков ткани аномального кистозного строения, полноценно не участвующих в дыхании и газообмене, что сопровождается высоким риском дыхательной недостаточности и инфекционных осложнений [1–3]. Особенностью БЛС является отсутствие прямой связи с бронхами и аномальное кровоснабжение секвестра по сосудам из большого круга кровообращения. Патологический участок ткани может быть расположен отдельно от здорового легкого или быть его частью. КАМЛ является частью легкого и, как правило, ограничена одной из долей, связана с трахео-бронхиальным деревом.
Наиболее информативным диагностическим методом визуализации данных пороков развития легких является мультиспиральная компьютерная томография (МСКТ). Для лучшей оценки структуры ткани легкого, а также реконструкции сосудистой сети и обнаружения аномальных питающих сосудов из бассейна аорты используется внутривенное контрастирование препаратами йопромида [1–3]. Радикальный метод лечения БЛС и КАМЛ – хирургическое вмешательство по удалению аномальных участков легкого, которое сопряжено с повышенным риском осложнений на этапах поиска, мобилизации и перевязки одного или нескольких крупных аномальных сосудов, по диаметру не уступающих артериям почек и селезенки. В лечении врожденной КАМЛ рекомендованным и признанным объемом хирургической помощи является лобэктомия пораженной доли [1–3]. Как правило, доступ к сосудистым и бронхиальным элементам корня доли легкого осуществляется по междолевой борозде, однако в части случаев эта борозда не выражена, либо отсутствует совсем, что в комбинации с аномальным рассыпным типом кровоснабжения порочной части легкого составляет трудности хирургической коррекции порока. Опыт разработки интеллектуальных систем для клинического применения показал их эффективность в принятии сложных многокомпонентных решений в фармакологии и спортивной медицине [5, 6]. Создание системы анализа и сегментации диагностической информации, необходимой для преобразования серии DICOM-изображений в трехмерную модель пораженного органа на предоперационном этапе, является ключевым этапом разработки эффективного интраоперационного комплекса навигации в неонатальной хирургии.
Цель работы: разработка и оценка эффективности применения системы компьютерного анализа клинико-диагностических данных на основе стандартизации сбора информации, систематизации результатов лабораторных и инструментальных исследований, сегментации трехмерных изображений органов грудной клетки для предоперационной подготовки и выбора оптимального способа хирургического лечения детей с врожденными пороками развития легких.
Материал и методы исследования
Работа выполнена на базе отделения хирургии новорожденных Отдела неонатологии и педиатрии НМИЦ «АГП им. В.И. Кулакова» Минздрава России (далее Центр) и включала следующие этапы:
- ретроспективный анализ первичной медицинской документации новорожденных пациентов, получавших обследование и хирургическое лечение за период с 1 января 2012 по 31 декабря 2016 годы и отбор карт по критерию основного диагноза БЛС и/или КАМЛ;
- сбор и проспективный анализ клинических и инструментальных данных, новорожденных пациентов с БЛС и/или КАМЛ за период с 1 января 2017 по 31 июня 2018 года;
- формирование банка диагностических изображений формата DICOM пациентов с признаками врожденного порока развития легких;
- выполнение сегментации диагностических изображений с использованием специализированного программного обеспечения Myrian Expert, Intrasense (Франция) согласно оригинальным разработанным алгоритмам действий с последующим созданием трехмерной модели дыхательных путей и легких пациента с выделением патологического очага;
- сравнительный анализ особенностей выполнения и длительности проведения хирургического вмешательства у пациентов с пороками развития легких торакоскопическим доступом в период применения предоперационного анализа изображений и до его внедрения.
Спектр обследования новорожденных включал общеклинические, инструментальные и лабораторные методы в течение периода ранней адаптации, дополненные обзорной рентгенографией органов грудной клетки в прямой проекции, ультразвуковыми исследованиями плевральных полостей на аппарате SIEMENS ACUSON S2000 (Германия-США) с использованием линейных датчиков 7–14 МГц и 18–20 МГц по оригинальной разработанной в клинике методике и компьютерную томографию органов грудной полости на аппарате Toshiba Aquilion Prime (Япония) с программой низкодозового объемного сканирования и контрастированием сосудов препаратом йопромида по показаниям.
Результаты исследования и обсуждение
За период с 1 января 2012 по 31 июня 2018 года в отделении хирургии новорожденных Центра проведено обследование и лечение 144 пациентов с пороками развития легких (БЛС и КАМЛ).
В период с 1 января 2012 по 31 декабря 2016 года (I этап – ретроспективный анализ медицинской документации) подготовка хирурга к операции и решение о планируемом объеме хирургической помощи осуществляли путем традиционного логического врачебного анализа клинико-диагностической информации на основании профессионального опыта. В этот период по результатам проведенного обследования 58 детям с диагнозами БЛС и КАМЛ выполнено хирургическое вмешательство торакоскопическим доступом. Детальный анализ первичной медицинской документации показал, что на данный момент основу клинико-диагностических данных составляют неформализованные описания, которые сильно подвержены вариабельности в зависимости от опыта специалиста и особенностей восприятия им информации, что затрудняет использование информационных технологий в обработке медицинских данных различного характера.
С 1 января 2017 года (II этап анализа клинико-диагностических данных) дополнительно к классическому способу принятия решений внедрена система компьютерного анализа клинико-диагностических данных и сегментации изображений с созданием трехмерных моделей дыхательных путей и легких при БЛС и КАМЛ. С ее помощью обследованы и подготовлены к хирургическому вмешательству 62 новорожденных. Спектр нозологических форм пациентов с врожденными пороками легких, включенных в исследование, представлен в таблице 1.
Как видно из данных таблицы, общее количество включенных в исследование пациентов с врожденными пороками легких, а также в рамках каждой нозологической формы на I и II этапах было сопоставимо между собой.
На II этапе исследования клинико-диагностические данные были типированы и структурированы для стандартизации всей получаемой информации о пациенте. Примером такой обработки служит перевод в систему заданных информационных полей текстовых медицинских описаний результатов лучевых исследований, которые выполняли разные специалисты в произвольной форме. Принцип унификации картины строения органов и патологических очагов текстового описания диагностических изображений при врожденных пороках развития легкого представлен в таблице 2. В случае выявления параметров, требующих уточнения, дополнительную информацию указывали в графе примечаний. Например, при выявлении аномального питающего сосуда от аорты в графу «Примечание» вносили анатомическое расположение устья сосуда.
Диагностические серии изображений, полученные в ходе выполнения компьютерной томографии органов грудной клетки пациентов на II этапе исследования, а также архивные результаты пациентов ретроспективного I этапа были копированы в банк данных с созданием именного каталога. В силу действующего законодательства, для использования информации в научно-исследовательских целях из базы данных была исключена информация, позволяющая идентифицировать личность пациента. Каждой серии диагностических изображений у пациентов с врожденными пороками развития легких был присвоен идентификационный код с номером. Условные обозначения кодируемой информации представлены в таблице 3.
Таким образом, кодировка пациентов имела вид «LUNG_L_BS_217», что соответствует серии номер 217 пациента с врожденной БЛС слева, или «LUNG_R_CCAM_121», что соответствовало серии номер 121 пациента с врожденной КАМЛ справа. Данные о присвоенных кодах были сохранены в первичном именном каталоге, доступном только руководителям медицинского подразделения. Таким образом, банк данных был заполнен 1082 сериями диагностических изображений, которые при проверке удовлетворяли критериям необходимого качества для последующей программной обработки.
Разработанный нами оригинальный алгоритм действий при выполнении предоперационной сегментации серии диагностических изображений с помощью инструментов специализированного программного обеспечения Myrian Expert представлен на примере врожденной экстралобарной БЛС (рис. 1а):
- Объемная визуализация трахеи, главных и сегментарных бронхов, автоматический расчет диаметра и протяженности дыхательных путей (рис. 1б);
- Автозаполнение объема правого и левого легких (рис. 1в);
- Разделение правого и левого легких на доли (рис. 1в);
- Выделение ткани экстралобарного секвестра легкого (рис. 1в);
- Объемная визуализация аорты и аномального питающего сосуда (выполнение данного пункта работы возможно только на серии изображений с внутривенным контрастированием), автоматический или полуавтоматический расчет диаметра и протяженности аномального питающего сосуда (рис. 1г).
На всех этапах сегментации получали данные автоматического расчета объемов нормальных и патологических участков легкого. По разработанным компьютерным алгоритмам была произведена обработка всех серий. Сформированные 3-D модели применяли для подготовки к оперативному вмешательству у ребенка путем изменения их положения в пространстве на мониторе, сопоставления неподвижных анатомических структур пациента и обозначения зон повышенного риска интраоперационных осложнений и потенциальных технических трудностей. Объем хирургической помощи определяли исходя из особенностей и характера порока развития легких, а также с учетом возможностей современных медицинских технологий, направленных на уменьшение инвазивности хирургического вмешательства. При подтверждении КАМЛ, крупного интралобарного секвестра легкого, а также при их комбинации выполняли лобэктомию пораженной доли легкого, экстралобарные БЛС удаляли с надежным лигированием питающего сосуда, интралобарные БЛС с небольшой площадью сращения с долей легкого удаляли с тщательным аэростазом здоровой легочной ткани на границе. Все операции были выполнены торакоскопическим доступом с применением 3 мм оптической системы и рабочих инструментов. Проведен сравнительный анализ средней длительности основных типов операций при пороках развития легкого (табл. 4), а также проанализированы анатомические особенности, предопределяющие технические трудности и интраоперационные осложнения у пациентов до внедрения предоперационной системы анализа данных (I этап) и после него (II этап). Для оценки значимости различий между средними значениями длительности операций в группе применялся тест Вилкоксона-Манна-Уитни (рис. 2).
Из представленных в таблице 4 и на рисунке 2 данных следует, что сокращение средней длительности операции наблюдали при всех типах операций, однако при удалении экстралобарных секвестров легкого (операции 1 и 2) временная разница по сравнению с дисперсией в группах была невелика, поэтому различия в средних оказались незначимы. При удалении интралобарных БЛС и операциях, сопряженных с лобэктомией, различия, напротив, явились значимыми в связи с большей разницей средних и меньшей дисперсией. Это объясняется тем, что экстралобарные БЛС при любой локализации не имеют связи с легким, питающие сосуды в большинстве случаев доступны осмотру и длительность вмешательства определяется количеством питающих сосудов и анатомическим вариантом их расположения. Длительность же операций, сопряженных с разделением патологической и здоровой ткани легкого, а также лобэктомий, обусловлена различными особенностями анатомии порочного легкого, среди которых следует отметить плотное сращение патологической ткани со здоровой легочной тканью других долей легкого, аномальное неполное разделение легочных долей, отсутствие доступа к крупным сосудам пораженной доли легкого и наличие дополнительных аномальных питающих сосудов системы малого круга кровообращения. В связи с этими особенностями среди пациентов ретроспективной группы в одном случае потребовалась установка дополнительного торакопорта для удержания патологической доли легкого, в одном случае выполнена конверсия в связи с выраженной кровоточивостью.
Заключение
В результате проведенного исследования нами накоплен значительный объем клинико-диагностической информации, стандартизация и компьютерный анализ которой позволил оптимизировать этап подготовки хирурга к проведению сложной эндоскопической операции. Построение виртуальных 3D моделей органов грудной клетки пациента в предоперационном периоде позволяет наилучшим образом спланировать восстановление анатомического варианта строения легкого при пороке развития, что является важным при подготовке врача к хирургическому вмешательству и служит для улучшения пространственного ориентирования хирурга во время работы, способствуя сокращению длительности хирургического вмешательства и снижения риска интраоперационных осложнений и технических трудностей.
Сформированный банк эталонных диагностических изображений использован для заполнения библиотек экспертно-диагностической искусственной нейронной сети (самообучаемой компьютерной экспертной системы) и для создания эталонных виртуальных 3D моделей. Экспертно-диагностическая система, в свою очередь, дополнена унифицированными описаниями проведенных лучевых исследований, а также широким спектром клинических данных, характерных для данного врожденного порока развития легкого. Структурированные визуальные диагностические, клинические и фенотипические признаки, включенные в состав библиотек компьютерной экспертной системы, являются основой для последующего создания модели данных, в том числе необходимой для реализации функционала удаленного консультирования пациентов и программ обучения молодых специалистов.
