Projekti / Programi
KVANTITATIVNA ANALIZA POŠKODB BELE MOŽGANOVINE
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 7.00.00 |
Interdisciplinarne raziskave |
|
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T111 |
Tehnološke vede |
Upodabljanje, obdelava podob |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.06 |
Tehniške in tehnološke vede |
Zdravstveni inženiring |
analiza medicinskih slik, poravnava slik, segmentacija slik, kvantitativna analiza, vrednotenje, možgani, magnetno resonančno slikanje, multipla skleroza, obstruktivna spalna apnea, lezije bele možganovine
Raziskovalci (17)
Organizacije (2)
Povzetek
Možganske bolezni so eden od vodilnih vzrokov telesne in duševne invalidnosti v sodobni družbi in imajo zelo velik in še naraščujoč socialno-ekonomski učinek. Nevrološke in duševne bolezni so med največjimi povzročitelji invalidnosti (30% vseh bolezni), kar se odraža v izjemno visokih stroških zdravljenja in zdravstvene nege (1). Dolgoročno zmanjšanje števila bolnikov, stopnje bolezni in visokih stroškov, je mogoče le z naprednim razumevanjem bolezni in dejavnikov tveganja, patogeneze in napredovanja bolezni ter z objektivnim in zanesljivim vrednotenjem novih zdravil in drugih inovativnih načinov zdravljenja. Doseganje teh ciljev je mogoče le z razvojem, testiranjem in validacijo naprednih postopkov, tehnologij in sistemov, ki omogočajo objektivno in zanesljivo longitudinalno opazovanje bolnikov, napredovanje bolezni in spremljanje učinkov zdravljenja.
Glavni izziv pri longitudinalnem opazovanju bolnikov ter oceni napredovanja bolezni in učinkov zdravljenja je razviti tako orodje za zaznavanje majhnih kratkoročnih sprememb stanja bolnika, ki zanesljivo in dosledno odražajo dolgoročne spremembe napredovanja bolezni ali učinkov zdravljenja. Poleg kliničnih simptomov, ki se jih težko točno, zanesljivo in ponovljivo merimo, je za večino nevroloških in duševnih bolezni značilen pojav lezij bele možganovine (LBM), to so poškodovane celice bele možganovine. LBM so eden redkih parakliničnih simptomov, ki se pojavljajo še predno je sploh mogoče zaznati klinične simptome. Tomografsko slikanje z magnetno resonanco (MR) je standardna tehnika za odkrivanje LBM (2), medtem ko analiza MR slik omogoča določitev kvantitativnih in vivo metrik za anatomsko in fiziološko pomembne parametre v zvezi z LBM.
Kvantitativne meritve LBM, kot so njihovo število, velikost, oblika in lega ter ustrezno spremljanje sprememb teh parametrov v daljšem časovnem obdobju je kljub pomembnosti manj raziskano od kvalitativnih opazovanj LBM. Kvantifikacija posameznih LBM zahteva njihovo obrisovanje v tridimenzionalnih (3D) MR slikah, kar se običajno naredi ročno, posamezno na vsaki rezini 3D slike. Na podlagi ročnih obrisov se določi lega in morfologija LBM, parametra, ki predstavljata klinične smernice za diagnosticiranje nekaterih bolezni (3). Kljub kvantitativni naravi teh meritev pa so klinične smernice pretežno kvalitativne in ne kvantitativne (4). Eden od glavnih razlogov je v nezanesljivosti ročnega obrisovanja LBM v MR slikah. Ročno obrisovanje je dolgotrajno in utrudljivo in tudi izrazito subjektivno, zato so lahko obrisi LBM netočni in se običajno precej razlikujejo med različnimi obrisovalci. Zaradi tega kvantitativnim meritvam ni moč popolnoma zaupati in se jih zato redko uporablja v kliničnih smernicah. Točnost in variabilnost obrisov LBM sta še bolj kritična parametra kakovosti obrisov, ko želimo pri bolniku spremljati LBM v daljšem časovnem obdobju.
Za pridobivanje objektivnih in zanesljivih kvantitativnih meritev LBM v longitudinalnih MR slikah se lahko uporabimo napredni postopki analize MR slik. Obetaven pristop je s pomočjo prostorske poravnave MR slik med dvema ali več preiskavami, čemur sledi analiza prostorskih deformacij in razlik sivinskih vrednosti MR slik (5,6). Predlagani projekt upošteva najnovejša priporočila za izboljšanje longitudinalnih raziskav slikanja (7) in se v glavnem osredotoča na pridobivanje objektivnih, točnih in zanesljivih kvantitativnih meritev sprememb LBM z avtomatsko poravnavo longitudinalnih MR slik.
Glavni cilj predlaganega projekta je zasnovati, razviti in validirati računalniško podprt sistem, ki temelji na kvantitativnih meritvah LBM in je namenjen za longitudinalne raziskave z MR slikanjem, ki vključujejo opazovanje in načrtovanje zdravljenja bolezni in zdravstvenih težav povezanih z napredovanjem lezij bele možganovine. Sekundarni cilj je vpeljava sistema za avtomatsko analizo LBM v klinično prakso, s čimer bi nevrologi, radiologi in drugi zdravstveni delavci bolnikom nudili prilagojene in izboljšane načine
Pomen za razvoj znanosti
V okviru tega projekta smo razvili nove napredne postopke analize magnetoresonančnih (MR) slik, jih uspešno validirali in za spremljanje bolnikov z multiplo sklerozo tudi implementirali v klinično prakso (https://ms.quantim.eu). Prispevki k znanosti so na področju avtomatske analize medicinskih slik predvsem : • povečano razumevanje preizkušenih postopkov za analizo slik ter poznavanje njihovih zmožnosti in pomanjkljivosti, kar smo dosegli z natančno in objektivno validacijo uveljavljenih in na novo razvitih postopkov analize slik • spodbujanje nadaljnjih raziskav in razvoja postopkov analize slik in objektivnega ocenjevanja ter primerjalnih raziskav z izgradnjo javne standardne validacijske zbirke slik z referenčnimi rezultati. Zbrali in uredili smo dve javni zbirki magnetoresonančnih slik z visokonatančnimi referenčnimi podatki o obrisih lezij bele možganovine. Ker je področje razvoja in raziskav postopkov obrisovanja lezij zelo aktivno, hkrati pa tako kakovostni referenčni podatki doslej še niso bili na voljo, njihova priprava pa je izjemno zahtevna in zamudna, pričakujemo, da bodo ta dela pomembno pripomogla k standardizaciji postopkov obrisovanja lezij in s tem razmahu uporabe volumetrične opredelitve lezij kot pomembnih slikovnih biomarkerjev v mnogih nevroloških boleznih. • oblikovanje smernic za kvantitativna merjenja v longitudinalnih raziskavah Prispevki na področju nevrologije, nevrološkega slikanja in klinične nevroradiologije so predvsem: • napredek pri razumevanju in spremljanju napredovanja bolezni povezanih z LBM kot posledica novih, objektivnih in ponovljivih in-vivo avtomatskih merjenj iz MR slik bolnika • nadaljnji razvoj in izboljšanje kliničnih smernic in načrtov zdravljenja s spodbujanjem uporabe objektivnih in kvantitativnih merjenj poleg že uveljavljene subjektivne ocene nevrološkega stanja. Tehnike za izločanje slikovnih biomarkerjev bolnikov z multiplo sklerozo, ki smo jih razvili in v praksi implementirali, so z manjšimi prilagoditvami uporabne tudi v kontekstu mnogih drugih nevroloških bolezni. Preko intenzivnega interdisciplinarnega mreženja smo tekom tega projekta stopili v stik z mnogimi raziskovalci po Sloveniji in v tujini, kjer v skupne projekte in klinične raziskave vstopamo kot ponudniki kvantitativne analize MR slik. Pričakujemo, da bodo imele te raziskave zelo velik vpliv tako na znanstvene raziskave kot tudi na razvoj klinične prakse in smernic pri zdravljenju mnogih nevroloških bolezni. Pomembni prispevki na področju kliničnih preizkušanj novih zdravil so predvsem: • hitrejši razvoj in vrednotenje učinka novih zdravil in inovativnih načinov zdravljenja z omogočanjem zgodnejših odločitev osnovanih na objektivnih merjenjih • zmanjšanje minimalnega števila bolnikov, ki so potrebni za odkrivanje učinkov zdravljenja v kliničnih raziskavah, s pomočjo izboljšane natančnosti in občutljivosti kvantifikacije LBM • bolj zanesljiva opredelitev lastnosti posameznih bolnikov za prilagojeno osebno zdravljenje Cilji tega projekta so bili usmerjeni predvsem v analizo strukture patologije in zdrave možganovine, tekom projekta pa smo idenficirali novo področje raziskovanja, in sicer analiza človeškega konektoma. Človeški konektom naprimer omogoča neposredno povezovanje strukturne informacije o patologiji (lokacijo, obliko, volumen) s funkcijo ali spremembami funkcije možganov ter s tem povezanimi kliničnimi znaki in simptomi. Na tem novem področju raziskovanja aktivno sodelujemo z raziskovalci iz UKC-LJ. Vrhunski rezultati raziskovalnega projekta odpirajo tudi številne možnosti za sodelovanje z akademskimi in zdravstvenimi zavodi ter industrijskimi partnerji tako doma kot v tujini. V okviru projekta nastala znanstvena dela so bila (nekatera pa še bodo) objavljena v uglednih mednarodnih znanstvenih revijah, zato pričakujemo, da bodo v prihodnosti imela visoko odmevnost.
Pomen za razvoj Slovenije
Možganske bolezni so eden od vodilnih vzrokov telesne in duševne invalidnosti v sodobni družbi in imajo zelo velik in še naraščajoč socialno-ekonomski učinek. V letu 2010 so samo stroški zdravljenja teh bolezni v Sloveniji znašali 2,4 milijarde evrov oz. 7% slovenskega BDPja, predvsem zato ker so nevrološke in duševne bolezni med največjimi povzročitelji invalidnosti. Dosedanji rezultat (pomen) zaključenega projekta je avtomatska objektivna kvantifikacija možganskih struktur na cca 900 MR slikah pacientov z multiplo sklerozo, ki je bila opravljena s pomočjo razvite internetne storitve. Vse slovenske bolnišnice, ki zdravijo paciente z multiplo sklerozo so povezane s strežnikom na FE, UL in uporabljajo storitev. Avtomatski sistem za analizo slik posreduje nevrologom in radiologom v naših bolnišnicah natančne in zanesljive podatke v obliki poročila, ki je posredovano največ 2 uri po naložitvi slik. Poleg običajnih podatkov o pacientih predstavljajo kvantitativni podatki pomembno in objektivno informacijo, ki omogoča bolj poglobljeno razumevanje stanja bolezni in izbiro najprimernejšega zdravljenja. Dolgoročni pomen za razvoj Slovenije so nižji stroški zdravljenja pacientov z nevrološkimi boleznimi, boljši rezultati zdravljenja, hitrejše zdravljenje, nova visokotehnološka podjetja in delovna mesta (primer podjetja INTELITEH), razmeroma enostavna uporaba razvite tehnologije pri pacientih z drugačnimi boleznimi, itd. V tem projektu smo razvili tehnologije in sisteme, ki temeljijo na izločanju kvantitativnih meritev iz magnetoresonančnih (MR) slik glave. Rezultati kažejo, da lahko z avtomatskimi postopki analize MR slik izločimo bistveno več informacije o stanju bolnika, kot jih je sposoben vizualno odčitati in opredeliti nevroradiolog. Poleg tega v primerjavi s klasično radiološko obravnavo prinaša prednosti kot so objektivnost, ponovljivost, večja sledljivost in standardizacija. Z vpeljanim sistemom kvantitativne analize omogočamo na dokazih temelječe in neodvisno kreiranje smernic za obravnavo in zdravljenje nevroloških bolnikov. Kvantitativna informacija pridobljena z našo analizo se trenutno uveljavlja kot eden od argumentov nevrologov pri odločanju o zdravljenju. Na ta način bolnikom lahko nudijo prilagojene in izboljšane načine zdravljenja, na dolgi rok pa optimalnejše zdravljenje omogoča tudi znižanje stroškov obravnave in zdravljenja bolnikov ter manjšo obremenitev BDP. Zgoraj navedene prednosti so hkrati tudi vzroki, da slikovna diagnostika v različnim področjih medicine pridobiva vse večji pomen. Večje število zajetih slik s seboj prinaša kar nekaj izzivov: 1) zahtevo po več ustrezno izobraženih radioloških kadrih, 2) več finančnih sredstev, 3) vlaganja v moderno medicinsko opremo in podporno okolje, ipd. Tehnologija kvantitativne analize magnetoresonančnih slik glave, ki smo jo razvili v okviru tega projekta, direktno naslavlja nekatere od naštetih izzivov. Naprimer, izločanje kvantitativnih meritev iz slik zahteva računski čas do 30 minut, meritve podane v obliki strukturiranega poročila pa radiologom omogočajo zelo hitro, zanesljivo in učinkovito diagnostiko in verifikacijo ter z objektivnimi podatki obogateno poročanje o stanju bolnika. Poleg celovitejše obravnave bolnika torej uporaba te tehnologije in sistemov tudi skrajšuje čas za radiološko vrednotenje bolnika, s tem pa posredno zmanjšuje tudi stroške obravnave. Projekt bo ustvaril tudi nova delovna mesta in poklice biomedicinske stroke, konkretno na področju razvoja, implementacije in vzdrževanja tehnologije in sistemov kvantitativnih slikovnih merjenj v klinični praksi. Pri ustvarjanju tega specifičnega kadra je raziskovalna skupina tudi sicer zelo aktivna preko izobraževanja mladih znanstvenikov in raziskovalcev ter dodiplomskih in magistrskih študentov, kar bo izjemnega pomena za prihodnost teh raziskav in razvoja visokotehnoloških sistemov ter za učinkovitejši prenos ustvarjenega znanja in tehnologij z univerz v gospodarstvo in podjetništvo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
