Физики улучшили метод неинвазивной хирургии мозга
Ученые физического факультета МГУ совместно с рентгенологами Университетской клиники Медицинского научно-образовательного института МГУ имени М.В. Ломоносова (МНОИ МГУ) исследовали возможности усовершенствования метода неинвазивной ультразвуковой терапии мозга. Этот метод, лишь недавно внедрённый в клиническую практику, основан на контролируемом облучении малых участков мозга человека фокусированными ультразвуковыми волнами. На сегодняшний день операции с помощью фокусированного ультразвука довольно продолжительны и требуют длительной подготовки. На основе предварительно проведенной объемной компьютерной томографии (КТ) головы человека строится ее детальная трехмерная акустическая модель и проводится планирование облучения, рассчитывая прохождение ультразвука через неоднородные кости черепа и определяя фазы на каждом из элементов многоэлементной ультразвуковой решетки для коррекции вносимых черепом искажений (аберраций) волнового поля.
Основные элементы численного моделирования ультразвуковой нейрохирургии. Вне головы пациента располагается многоэлементный фокусирующий излучатель ультразвука, направляющий интенсивный акустический пучок в область таламуса. Для компенсации аберраций в черепе фазы ультразвуковых волн, излучаемых элементами, корректируются на основе данных КТ.
Учёными из МГУ было проведено исследование возможности (в недалеком будущем) упрощения, удешевления и повышения точности проведения нейрохирургических операций с применением фокусированного ультразвука. Обычно при таких операциях лечение фокусированным ультразвуком проводится под контролем магнитно-резонансной (МРТ) термометрии. КТ- и МРТ-изображения головы пациента совмещаются и облучение проводится с использованием предварительно рассчитанных фаз. Полученные данные позволяют надеяться, что можно будет планировать и выполнять такие процедуры лечения с использованием только данных МРТ. Исследование показало, что, хотя на сегодняшний день данные КТ предоставляют более точную информацию на этапе планирования, данные МРТ уже позволяют провести начальный отбор пациентов, для которых возможно проведение лечения, и которые являются перспективными для более точной фазировки ультразвуковых элементов в процессе облучения. В дальнейшем планируется использовать нейросети для синтезирования аналога КТ по изображению МРТ. Работы по проекту проводились в рамках Научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина».
Подобные исследования ставят своей целью создание основы для развития и реализации нового направления в медицине – ультразвуковой нейрохирургии. Идея метода неинвазивной ультразвуковой нейрохирургии заключается в фокусировке интенсивного ультразвукового пучка с частотами порядка сотен килогерц через череп в заданные участки мозга. Это приводит к локальному нагреву тканей мозга и их последующему разрушению. Такая процедура является привлекательной альтернативой хирургическому вмешательству, так как не требует вскрытия черепа и позволяет воздействовать на труднодоступные центральные участки мозга (на область таламуса). На практике указанный метод дистанционного и локального воздействия на структуры мозга уже применяется для лечения, например, таких болезней, как эссенциальный тремор, тремор, вызванный болезнью Паркинсона, и мышечная дистония, и реализуется во многих странах мира, в том числе и в России.
Главное препятствие для ультразвука на пути к участку воздействия – кости черепа, которые сильно отличаются по своим акустическим свойствам от окружающих их мягких тканей. В частности, плотность костной ткани и скорость звука в ней значительно выше, чем в воде и тканях мозга. При прохождении через череп ультразвуковой пучок частично отражается, а также испытывает заметное поглощение и сильные искажения (аберрации). Из-за соответствующих потерь энергии интенсивность волны в целевой области облучения может быть недостаточной для разрушения биоткани. Если компенсировать потери повышением мощности излучателя, то может быть перегрет череп пациента. Из-за аберраций, вызванных неоднородными по толщине и внутренней структуре костями черепа, фокус размывается, возникают горячие точки в нежелательных местах, т.е. могут быть повреждены области, которые не были предназначены для облучения. Внедрение метода ультразвуковой нейрохирургии в медицинскую практику оказалось возможным лишь относительно недавно, после того как удалось компенсировать аберрации волнового фронта пучка.
Сейчас реализация процедуры компенсации аберраций проводится по полученным до проведения операции данным компьютерной томографии (КТ).
«Каждый воксель изображения компьютерной томографии имеет свое значение в единицах Хаунсфилда, – объясняет ведущий научный сотрудник отдела лучевой диагностики Медицинского научно-образовательного института МГУ, доцент кафедры лучевой диагностики и терапии факультета фундаментальной медицины МГУ Елена Мершина. – Шкала Хаунсфилда показывает, как та или иная ткань ослабляет рентгеновское излучение при прохождении через нее. Для воды такое значение в единицах Хаунсфилда равно нулю. Существует линейная корреляция между значениями по шкале Хаунсфилда и плотностью биоткани, поэтому данные КТ, в отличие, например, от данных магнитно-резонансной томографии (МРТ), позволяют получить значения плотности ткани в каждом вокселе изображения».
Зная плотность, можно рассчитать скорость звука и, таким образом, восстановить акустические параметры тканей. Информация о скорости звука помогает рассчитать задержки фаз на элементах излучателя, чтобы сформировать необходимый волновой фронт перед поверхностью головы пациента. Данный этап операции можно назвать подготовительным, расчет фаз проводится перед облучением для каждой целевой точки в мозге и использует данные КТ. Само облучение проводится под контролем МРТ-термометрии и включает в себя несколько этапов. Первый этап – совмещение КТ и МРТ изображений и прицеливание. Облучение проводится на низкой мощности, когда нагрева недостаточно для разрушения тканей, но он виден на МРТ. Если на первом этапе целевая точка и область нагрева совпали, то далее мощность немного повышают и вызывают обратимые нарушения работы клеток мозга. После чего пациента осматривает невролог, при успешном воздействии (например, у пациента пропал тремор, снизилась зажатость мышц) данная точка подвергается облучению на высокой мощности. Возникает необратимое разрушение ткани, т.е. некроз, а у пациента наблюдается снижение симптомов болезни. Как видно, процедура требует тщательной подготовки, высокой точности позиционирования, а также большое количество данных, как КТ, так и МРТ. При этом отдельной задачей является совмещение полученного предварительно изображения КТ и измеряемого в реальном времени изображения МРТ.
Недостатком использования КТ для планирования операции является его потенциальный вред (используется рентгеновское облучение), а также невозможность дополнительной коррекции фаз уже при проведении облучения. В связи с этим, одной из задач ультразвуковой хирургии мозга является упрощение и облегчение проведения операции, и исследование вопроса о возможности использования только данных МРТ. Команда ученых из МГУ провела серию численных экспериментов для ответа на этот вопрос. На основе анонимизированного комплекта данных КТ и МРТ одного и того же пациента были построены акустические модели его головы. Комплект был взят из архивных данных Отдела лучевой диагностики Медицинского научно-образовательного института МГУ. Пациенту были проведены оба исследования по назначению лечащего врача. Из данных сканирований были восстановлены пространственные границы тканей. Восстановление границ одинаково хорошо осуществляется как по данным КТ, так и по данным МРТ. Моделирование распространения ультразвукового пучка в таких акустических моделях показало, что для наиболее точной компенсации аберраций (подбора фаз на элементах излучателя для формирования сходящегося фронта в мозге) важна информация о внутренней структуре костей черепа.
«Возможности указанных двух подходов, КТ и МРТ, различны в отношении задания структурных деталей среды, – отмечает участница проекта, аспирант физического факультета МГУ Дарья Чупова. – В каждом вокселе модели, построенной на основе данных КТ, могут быть рассчитаны плотность и скорость звука. Акустические параметры в модели, построенной на основе МРТ, являются, напротив, пространственно-однородными для каждого типа тканей и априори неизвестными, для их задания приходится использовать усредненные значения данных, полученной из КТ».
Казалось бы, эти соображения не позволяют отказаться от КТ. Однако результаты работы показали, что данные МРТ можно использовать для отбора пациентов, предварительного планирования операции и предсказания результата.
«Модель, построенная на основе КТ, является более полной, — рассуждает аспирант Лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ Олег Солонцов. – Однако сейчас активно развиваются технологии искусственного интеллекта и уже ведутся работы в направлении обучения нейросети синтезировать изображение КТ по данным МРТ. Мы тоже планируем двигаться в этом направлении для создания более точных, безопасных и эффективных протоколов ультразвуковой хирургии мозга».
Текст: пресс-служба МГУ