نماذج قلبية ثلاثية الأبعاد لأغراض جراحية: تحويل فحوصات الرنين المغناطيسي إلى نماذج قلبية ثلاثية الأبعاد

طوّر باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومستشفى الأطفال في بوسطن نظاماً يتيح الإستفادة من تصوير بالرنين المغناطيسي لقلب مريض، وتحويّلها إلى نموذج مادي ملموس في غضون ساعات، ليمكّن الجراحين من محاكاة تخطيط حجم القلب، بحيث أنّ توفير مثل هذه النماذج سيتيح وسيلة أكثر سهولة للجراحين لتقييم المميزات التشريحية الفريدة لكل مريض على حدا.

تقييم جدوى النماذج:

في خريف هذا العام، شارك حوالي سبعة من جراحي القلب في مستشفى الأطفال في بوسطن بدراسة تهدفُ إلى تقييم جدوى هذه النماذج، وتتكون بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي من سلسلةٍ من المقاطع العرضية (الصور) للكائن الثلاثي الأبعاد، بما يشبه صورة بالأسود والأبيض، كل مقطع عرضي لديه مناطق من معتمة (سوداء) وأُخْرَى مضاءة (بيضاء)، وتشير الحدود الفاصلة بين تلك المناطق إلى الحواف الهيكلية التشريحية.

تعد مشكلة تحديد الحدود بين الأشياء الواضحة والمميزة في الصورة واحدة من المشاكل الرئيسية في الرؤية الحاسوبية (هي إحدى مجالات علم الحاسوب، تهدف إلى بناء تطبيقات ذكية قادرة على فهم محتوى الصور كما يفهمها الإنسان)، والمعروفة باسم "تقطيع الصورة Segmentation" ،ولكن خوارزميات تقطيع الصورة ليست فعَالة بما فيه الكفاية لانتاج النماذج الدقيقة التّي يتطلبها التخطيط الجراحي.

الطريقة النموذجيّة لجعل خوارزمية تقطيع الصورة أكثر دقة:

إنّ الطريقة النموذجيّة لجعل خوارزمية تقطيع الصورة أكثر دقة هي تزويدها بنموذج عام وشامل للجسم المجزأ. فعلى سبيل المثال، قلوب البشر لديها حجرات وأوعية دموية والتي غالبا ما تكون في نفس الأماكن بالنسبة لبعضها البعض.، وبالتالي فإن التطابق التشريحي يمكن له أن يعطي لخوارزمية التقطيع وسيلة للتخلص من النتائج غير المرجحة حول الحواف.

ولكن المشكلة مع هذا النهج هو أن العديد من مرضى القلب في مستشفى بوسطن للأطفال بحاجة لعملية جراحية على وجه التحديد لأن تشريح قلوبهم غير منتظم، وبالتالي الاستدلالات من نموذج عام وشامل يمكن أن تخفي الميزات ذاتها التي تهم الجراح.

أنتج الباحثون في الماضي نماذج قلبية قابلة للطباعة من خلال تحديد الفواصل والحدود يدويا ًبمساعدة فحوصات الرنين المغناطيسي، ولكن بوجود حوالي 200 أو أكثر من المقاطع العرضية (الصور) في عملية المسح الواحدة، يمكن أن تستغرق عملية تحديد الحدود يدوياً من 8 إلى 10 ساعات.

وكمحاولة لإيجاد حل قام Golland أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، -الذي قاد المشروع - بسؤال خبير عن كيفية القيام بتحديد الحواف في عدد قليل من المقاطع العرضية (الصور) وكذلك السماح لخوارزمية لعمل العمل نفسه، وجاءت النتائج القوية عندما أتم الخبير تقطيع جزء صغير من مجمل المنطقة في المقطع العرضي(الصورة)، حيث قام بتجزئة 14 بقعة والسماح للخوارزمية باستنتاج البقية مما أسفر عن تطابق 90 في المئة مع تجزئة الخبير لمجموعة كاملة من 200 مقطع عرضي (صورة)

وأضاف Golland "أعتقد أنه إذا قال شخص ما لي أنه يمكن تجزئة القلب بالكامل بثماني شرائح من أصل 200، ما كنت لأصدقهم، كانت مفاجأة بالنسبة لنا."

إذاً بتجزئة بسيطة من شخص خبير لبعض الأجزاء في العينة ومتابعة خوارزمية لتملة التجزئة سيكون لدينا نموذج ثلاثي اللأبعاد للقلب بحوالي الساعة، وعملية الطباعة تستغرق بضع ساعات إضافية!!

الخوارزمية والدراسة السريرية:

حالياً تفحص الخوارزمية البقع غيرالمجزءة من المقاطع العرضية وتبحث عن خصائص مماثلة في المقاطع العرضية (الصور) المجزأة القريبة منها. ولكن يعتقد Golland أن أداء الخوارزمية يمكن تحسينه إذا ما استطاعت فحص البقع التي تتوضع بشكل مائل عبر العديد من المقاطع العرضية (الصور). هذا وإن الاختلافات الأخرى على الخوارزمية هي موضوع البحوث الجارية.

أما الدراسة السريرية فقد شملت تصوير بالرنين المغناطيسي لعشرة مرضى من الذين تلقوا العلاج في مستشفى بوسطن للأطفال. حيث تم منح بيانات ال10 مرضى لسبعة جراحين تشمل تلك البيانات فحوصات الرنين المغناطيسي، وبشكل عشوائي، والبيانات إما من النموذج الحقيقي أو النموذج المحوسب 3D وسواءً تم تجزئتها بواسطة الخبير أو الخوارزمية.

ليقوم الجراحون واعتماداً على هذه البيانات بوضع خطة جراحية ليتم مقارنتها لاحقاً مع الجراحات التي أجريت على كل من المرضى. لتسلط الضوء على ما إذا كانت النماذج الفيزيائية المطبوعة ثلاثية الأبعاد يمكنها تحسين النتائج الجراحية في الواقع.

يقول سيتارام إيماني، جراح القلب في مستشفى بوسطن للأطفال "لقد استخدمنا هذا النوع من النماذج في عدد قليل من المرضى، والقيام بعملية جراحية افتراضية على القلب لمحاكاة الظروف الحقيقية ساهم حقا ًبالجراحة الحقيقية من حيث تقليل كمية الوقت الذي يقضيه الطبيب في فحص القلب وإجراء المطلوب".

إذا هل سيتمكن مرضى القلب مستقبلاً من الحصول على النموذج ثلاثي الأبعاد لقلوبهم والذي تم تصميمه بناء على صور الرنين المغناطيسي وتم استخدامه لمساعدة الجراحين على إجراء العملية لهم ...وهل سيقود هذا لطباعة العديد من النماذج لأعضاء أخرى والتي قد تساهم في تسهيل العمل الجراحي ؟

المصادر:

هنا

هنا