То, как врачи исследуют мочевой пузырь на предмет опухолей или камней, похоже на изучение контуров пещеры с фонариком. Используя камеры, прикрепленные к длинным гибким инструментам, называемым эндоскопами, они обнаруживают, что иногда трудно сориентировать расположение масс внутри стенок мочевого пузыря, выстланных кровеносными сосудами.
Это может измениться с появлением новой техники компьютерного зрения, разработанной исследователями из Стэнфорда, которая создает трехмерные реконструкции мочевого пузыря из мимолетных изображений эндоскопа. Благодаря этому слиянию медицины и инженерии врачи могут разрабатывать карты органов, лучше готовиться к операциям и выявлять ранние рецидивы рака. Смотрите видео здесь.
"Прелесть этого проекта в том, что мы можем брать данные, которые врачи уже собирают," сказала Одри Боуден, доцент кафедры электротехники. Она является соавтором недавней статьи, опубликованной в Biomedical Optics Express, в которой описывается метод.
Рак мочевого пузыря имеет один из самых высоких показателей рецидивов среди всех видов рака. По словам Джозефа Ляо, доцента урологии Медицинской школы и соавтора статьи, от 50 до 70 процентов опухолей возвращаются после удаления. Возможность видеть мочевой пузырь каждого пациента в виде трехмерной модели может улучшить планирование операции и контролировать рецидив рака.
"Эндоскопия мочевого пузыря, называемая цистоскопией, является неотъемлемой частью лечения рака. Все, что вы можете сделать для улучшения эндоскопии, полезно," Ляо сказал. "Хирурги всегда ищут лучшие способы увидеть рак, чтобы удалить его более эффективно."
Широко применимая техника
Одним из преимуществ метода является то, что врачам не нужно покупать новое оборудование или значительно изменять свои методы. Используя передовые алгоритмы компьютерного зрения, команда реконструировала форму и внутренний вид мочевого пузыря, используя видеозаписи обычной цистоскопии, которые обычно были бы выброшены или вообще не записаны.
"В эндоскопии мы генерируем много данных, но в настоящее время их просто выбрасывают," сказал Ляо.
Хотя команда разработала эту технику для мочевого пузыря, ее можно применить к другим полым органам, где врачи обычно проводят эндоскопию, включая желудок или толстую кишку. "Мы были первой группой, которая достигла полных трехмерных моделей мочевого пузыря с использованием стандартного клинического оборудования, что позволяет быстро перенести это исследование в клиническую практику," сказала Кристин Лурье, ведущий автор статьи, недавний аспирант и докторант в Стэнфорде, а также нынешний инженер-программист в Google.
По словам Ляо, эти трехмерные изображения могут помочь врачам подготовиться к операции. Поражения, опухоли и рубцы в мочевом пузыре трудно найти как на начальном этапе, так и во время операции.
"Иногда не понимаешь – где я был в мочевом пузыре?" Ляо сказал. Просмотр трехмерного изображения органа перед операцией, например наличие карты перед поездкой, может облегчить процедуру для врачей. Другие потенциальные применения включают использование трехмерной реконструкции в качестве визуальной медицинской карты.
Точный рендеринг
Чтобы проверить точность реконструкции мочевого пузыря, команда сначала создала модель, основанную на эндоскопических изображениях, сделанных в мочевом пузыре с трехмерной печатью, известном как тканевый фантом. Поскольку детали тканевого фантома известны, исследователи могли напрямую сравнить их рендеринг с реальным. По словам Боудена, тканевые фантомы представляют собой стандарт для анализа биологического моделирования. Команда обнаружила, что его трехмерная визуализация соответствует фантому ткани с небольшими ошибками.
По словам исследователей, этот метод является первым в своем роде, и его все еще можно улучшить. В первую очередь, трехмерные модели имеют тенденцию сглаживать неровности на стенке мочевого пузыря, включая опухоли. С одной только моделью это может затруднить обнаружение опухолей. Сейчас команда работает над повышением реалистичности форм и деталей моделей.
По словам исследователей, будущие направления включают использование алгоритма мониторинга заболеваний и рака в мочевом пузыре с течением времени для обнаружения тонких изменений, а также его комбинирование с другими технологиями визуализации.
"Технология обладает огромным потенциалом, не говоря уже о том, что возможность перемещаться по виртуальному органу приносит удовольствие," Ляо сказал.