Трехмерное моделирование толстой кишки с помощью одного изображения может обеспечить быструю диагностику заболеваний

Используя всего одно изображение, полученное капсульной эндоскопической камерой, ученые успешно создали 3D-модель толстой кишки. Этот новый метод обеспечивает гораздо более качественные изображения и может помочь специалистам быстрее обнаружить заболевание.

«Наша работа показывает, что у некоторых пациентов можно воссоздать довольно точную 3D-модель толстой кишки на основе одного изображения, полученного камерой капсульной эндоскопии, даже если это изображение низкого качества».

Пал Андерс Флор, научный сотрудник кафедры компьютерных наук NTNU

Цель: лучшие изображения и более быстрая диагностика

В течение нескольких лет он работал над использованием изображений с камер капсульной эндоскопии для реконструкции почти идентичной 3D-модели кишечника. Эти камеры были впервые использованы более 20 лет назад, но низкое качество изображения и шум на изображении помешали этой умной технологии по-настоящему завоевать популярность. новое исследование, «3D эндоскопическая реконструкция изображений на основе одного изображения» Недавно оно было опубликовано в Журнал фотографии. Это часть докторского исследования, проводимого Билалом Ахмедом под руководством Флор и профессора Ивара Фаропа.

Основная цель этого исследования — улучшить изображения, которые специалисты используют для выявления отклонений в пищеварительной системе своих пациентов. Тогда им будет легче обнаружить заболевание и быстрее поставить диагноз. Это важные шаги на пути к конечной цели: борьбе с раком кишечника, вторым по распространенности типом рака в Норвегии.

Резиновая кишка, зеркало и математика

Используя искусственную толстую кишку, отдельные изображения, полученные с помощью эндоскопии, и специальный алгоритм, исследователи NTNU смогли реконструировать 3D-модель кишечника. Эндоскоп выполняет ту же функцию, что и капсульная камера, но с некоторыми важными отличиями: изображения имеют более высокое разрешение, а яркость камеры можно регулировать вручную.

Алгоритм, который использовали исследователи, называется алгоритмом Shape from Shading (SFS). Это математическая модель, которую можно использовать для восстановления трехмерной формы из одного двухмерного изображения.

Реальная версия кишечника, воссозданная на компьютере

Если в алгоритмы подаются зашумленные изображения или цвета искажены, ошибки будут распространяться на 3D-модель.

«Мы показали, что путем тщательной калибровки и предварительной обработки изображений мы можем получить хорошую 3D-модель на основе всего лишь одного изображения – даже если изображение полно шума и оптических искажений», – сказал Флор.

Большие преимущества для врачей

Флор и его коллеги также разрабатывают 3D-модели на основе последовательностей, включающих несколько изображений, снятых камерами капсулы. Это позволяет моделям воссоздавать более длинные участки толстой кишки. Модели должны позволять точно знать, где в кишечнике расположены аномалии и признаки заболевания.

«Ранее мы показали, что врачи находят этот тип модели полезным при обследовании пациентов в сочетании с видео с капсульной камеры. Теперь мы показали, что можем рассчитывать относительно точные 3D-модели, используя реальные изображения и существующие технологии». Он сказал.

Лучше, быстрее и точнее

В своей новой работе исследователи реконструируют относительно качественные 3D-изображения кишечника на основе довольно плохого оригинала. Их совместные усилия позволяют им восстановить всю архитектуру кишечника.

«3D-модель можно использовать для настройки освещения исходного изображения, чтобы более темные области были лучше освещены и можно было увидеть больше деталей», — сказал Флор.

«У всех нас есть толстая кишка, но анатомия и геометрия вашей кишки, вероятно, сильно отличаются от соседней кишки. Новые 3D-модели можно адаптировать для каждого пациента. Они позволяют специалистам исследовать пищеварительную систему под разными углами. Именно там, где должно проводиться вмешательство, врачи также могут попрактиковаться перед особенно сложными процедурами, что помогает снизить риск того, что что-то пойдет не так», — говорит Флор.

Еще один шаг на пути

Большой вопрос заключается в том, могут ли эти новые подходы означать значительный прогресс в борьбе с раком кишечника.

«Пока еще слишком рано делать какие-либо определенные выводы. Во-первых, нам необходимо улучшить то, что мы разработали, и провести дополнительные исследования. Для достижения статистически достоверных результатов может потребоваться некоторое время».

Самая высокая статистика рака

Данные Ракового реестра Норвегии (на норвежском языке) показывают, что Норвегия занимает первое место в мировой статистике по распространенности и смертности от рака кишечника. Это вторая по распространенности форма рака в стране: в 2023 году было диагностировано 4912 случаев колоректального рака.

Первоначально исследователи возлагали очень большие надежды на беспроводную капсульную эндоскопию (WCE). Считалось, что маленькие капсулы могут заменить традиционные колоноскопию и гастроскопию, которые некоторые люди считают настолько болезненными, что отказываются их проходить.

Камера находится в капсуле

Напротив, капсульные камеры могут незаметно и безболезненно обследовать все уголки кишечника, пока пациент занимается своей повседневной жизнью. После проглатывания капсула, оснащенная камерой, начинает свое трудное путешествие по пищеварительной системе. Это путешествие может занять несколько часов, перенося по пути десятки тысяч изображений. Как бы хорошо это ни было, это нововведение не оказывает положительного воздействия на всю пищеварительную систему. Капсульная камера – лучший вариант для исследования тонкой кишки. Что касается колоноскопии, то еще предстоит пройти путь, прежде чем она заменит колоноскопию.

Отчасти это связано с тем, что просмотр и анализ таких больших объемов данных занимает много времени, а это означает, что существует явная вероятность того, что признаки заболевания будут пропущены. Капсула следует за движениями кишечника и продвигается с перерывами. Но иногда камера внезапно приближает опухоль, а вы ее «не видите».

Отсутствуют важные детали

Поэтому можно сделать только одно изображение критического участка с признаками заболевания. Зрение внутри кишечника также очень изменчиво, часто при слабом освещении и всевозможном мусоре. Изображения также имеют низкое разрешение, и нет никакой гарантии, что самое важное изображение будет четким и четким.

В этом заключается важность возможности реконструировать 3D-модель на основе всего лишь одного изображения, как это сейчас сделали Флор и его коллеги. Новые 3D-модели смогут помочь сделать обследование желудочно-кишечного тракта более точным и менее трудоемким – и в конечном итоге привести к более эффективному лечению.

Его можно использовать во многих областях

Флор и его коллеги дали несколько рекомендаций о том, как улучшить технологию проектирования для получения изображений более высокого качества. Они также считают, что эту технологию можно легко перенести в другие области, где было бы полезно создавать 3D-формы и модели из изображений.

Это может включать культурное наследие, робототехнику и медицинскую диагностику, и это лишь некоторые из них, пишут исследователи.

Эта работа является частью рабочего пакета 2 проекта Норвежского исследовательского совета под названием «Улучшение обнаружения заболеваний на изображениях беспроводной капсульной эндоскопии с помощью искусственного интеллекта и 3D-реконструкции (CAPSULE)».

Флор высоко оценивает сотрудничество с Innlandet Hospital Trust в Йёвике и говорит, что оно имело решающее значение для продвижения проекта. Их специалисты сыграли решающую роль, выбирая методологию и оценивая модели.

«Без ответов этих врачей мы бы барахтались в темноте», — сказал он.