Программа обработки DICOM файлов в среде Builder C++

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра физики и информационных систем

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

ПРОГРАММА ОБРАБОТКИ DICOM ФАЙЛОВ В СРЕДЕ BUILDER C++

Работу выполнил Покатилов Сергей Александрович Научный руководитель д. физ.-мат. наук, профессор Н. М. Богатов Краснодар 2013

Реферат

Покатилов С.А. ПРОГРАММА ОБРАБОТКИ DICOM ФАЙЛОВ В СРЕДЕ BUILDER C++. Дипломная работа 73 с., 24 рис., 1 табл., 19 источников.

МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ ТОМОГРАФИЯ, CAD-СИСТЕМЫ, ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ DICOM, МЕДИАЛОГ, C++ BUILDER, КОНТРАСТИРОВАНИЕ, МР-ВЕНОГРАФИЯ Объектом исследования дипломной работы является отраслевой стандарт изображений и документов обследованных пациентов DICOM.

Целью работы является расширение функциональности программного обеспечения научно-исследовательской установки МР-томографа, в результате разработки программного модуля, отвечающего за сохранения полученного изображения и данных в международном медицинском формате DICOM, обработка и анализ его при помощи интегрированной среды программирования C++ Builder.

Основным результатом дипломной работы является разработанная программная структура, описывающая текстовую составляющую формата DICOM, осуществляющая обработку и анализ его при помощи интегрированной среды программирования C++ Builder.

Содержание

1. Общие сведения о магнитно-резонансной томографии

1.1 История появления МРТ диагностики

1.2 Физические основы МРТ

1.3 Базовые принципы магнитного резонанса

1.4 Механизм взаимодействия радиоволн

1.5 Контрастирование

1.6 МР-венография

1.7 Диффузионно-взвешенная МРТ

1.8 Функциональная магнитно-резонансная томография

1.9 Магнитно-резонансная спектроскопия

2. Основные типы аппаратуры. Клиническое применение МРТ

2.1 Резистивные магниты. Постоянные магниты. Сверхпроводящие магниты

2.2 Типы МР-томографов и получаемые изображения

3. Математические аспекты применения программных систем при анализе медицинских изображений

3.1 CAD-системы

3.2 Медиалог

3.3 Состав стандарта DICOM. Информационная модель DICOM

3.4 Опция DICOM-3.0 для APM «Medical Vision»

3.5 Обработка Dicom. OsiriX

3.6 Анализ форматов хранения изображений и медицинских заключений магнитно-резонансной томографии Заключение Список использованных источников Приложение

Введение

В настоящее время широкое распространение получили различные диагностические центры, использующие цифровую аппаратуру крупнейшими производителями радиологического оборудования (PICKER, GE, Siemens, HP, Philips) обусловило необходимость оперативной передачи полученных в ходе медицинских исследований данных между этими центрами, реализацию возможности обработки изображений для повышения их качества и анализа.

В связи с вышеизложенным для использования компьютерных технологий в медицине, возникла потребность в коммуникационных возможностях, которые позволяли бы:

— объединять в сеть существующее цифровое оборудование для повышения эффективности работы и снижения затрат ручного труда;

— обеспечивать расширяемость существующей сети путем подключения к ней нового оборудования;

— интегрировать различные данные для повышения качества диагностики.

Универсальные компьютерные сетевые технологии не позволяют объединять различные виды медицинского оборудования. Поэтому его производители были вынуждены разрабатывать собственные коммуникационные интерфейсы. Однако из-за широты спектра используемого медицинского оборудования производства различных компаний, возникла необходимость в разработке коммуникационных стандартов.

Формат DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine. т. е. цифровые снимки и средства связи в медицине) является всемирным стандартом обмена данных в медицинских информационных системах. С его помощью осуществляется обмен снимками и данными, создаваемыми различными медицинскими приборами, генерирующими и обрабатывающими изображения и информацию.

Целью настоящей работы является расширение функциональности программного обеспечения научно-исследовательской установки МРТ, в результате разработки программного модуля, отвечающего за сохранения полученного изображения и данных в международном медицинском формате DICOM.

На сегодняшний день DICOM является хорошо проработанным стандартом, на который имеет смысл ориентироваться российским разработчикам.

Разработке в дипломной работе подлежит исследование структуры формата DICOM; алгоритма преобразования данных в формате DICOM; основы визуального программирования с применением программного пакета C++ Builder, программный модуль для сохранения изображений, полученных при помощи МРТ в медицинском формате DICOM.

1. Общие сведения о магнитно-резонансной томографии

1.1 История появления МРТ диагностики

Появление магнитно-резонансной томографии часто сравнивают с первооткрытием рентгеновских лучей, настолько важна её роль в современной медицинской диагностике. Поначалу, когда данное исследование только начало практиковаться в медицине, его использовали только для диагностики заболеваний центральной нервной системы. Сегодня же МРТ используется практически во всех медицинских областях и во многих научных исследованиях.

Как известно, 20 век принёс человечеству целый ряд гениальных открытий, но самыми важными оказались открытия рентгеновских лучей и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для твёрдых тел и жидкостей. Так ЯМР лёг в основу современной магнитно-резонансной томографии, а первооткрывателями считаются американские учёные Феликс Блох и Ричард Пурселл, которые сделали своё великое открытие в 1946 году независимо друг от друга. Следуя по стопам великих учёных, ЯМР начала использоваться другими физиками и химиками для исследований в органической и физической химии, а также биохимии и биофизике. Дальше профессором Полом Лаутербургом в 1972 году было сделано первое двухмерное ЯМР-изображение, которое представляло собой снимок двух стеклянных капилляров.

Несмотря на то, что на этот снимок ушло больше 4 часов, исследования с успехом продолжались и дальше, в результате чего в самом начале 80-х годов появились первые томографы, работающие на основе магнитно-резонансных излучений. Магнитное поле по своей напряженности колеблется в широких пределах, начиная от 0,3 Теслера и выше, но в медицинской практике используются сверхпроводящие магниты до 2−2,5 Теслера, образующие безопасное магнитное поле для обследуемого человеческого организма.

Основные даты.

1896 — П. Зееман открыл эффект расщепления уровней в магнитном поле.

1939 — И. Раби открыл резонансное измерение магнитных моментов ядер в молекулярном пучке.

1944 — Е. К. Завойский — первооткрыватель нового фундаментального явления — электронного парамагнитного резонанса.

В 1946 году Феликс Блох из Стенфордского университета и Эдвард Парселл из Гарвардского университета независимо друг от друга открыли явление ядерного магнитного резонанса. В 1952 году оба они были удостоены Нобелевской премии по физике «за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия».

Годом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973 год, когда профессор химии и радиологии из Нью-йоркского университета Стони Брук-Пол Лотербур, опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса» в которой были представлены трехмерные изображения объектов, полученные по спектрам протонного магнитного резонанса воды из этих объектов. Эта работа и легла в основу метода магнитной резонансной томографии (МРТ).

Позже доктор Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения. Оба они были удостоены Нобелевской премии за 2003 год в области физиологии и медицины за решающий вклад в изобретение и развитие метода магнитной резонансной томографии.

В 1975 году Ричард Эрнст предложил магнитно-резонансную томографию с использованием фазового и частотного кодирования, метод, который используется в МРТ в настоящее время.

1977 — Дж. Вауф, Е. Стейскал, Дж. Шефер — ЯМР высокого разрешения в твердом теле. Первые томографы для исследования тела человека появились в клиниках в 1980;1981 годах, а сегодня томография стала целой областью медицины.

1.2 Физические основы МРТ

Характеристики атомных ядер, делающие возможным магнитный резонанс — магнитные моменты и протонную прецессию магнитного поля, свойства спиновой релаксации, которые делают возможным различать протоны в различных средах, частоты импульсов, которые производят информацию для того, чтобы создавать МР изображения.

Магнитно-резонансное изображение основано на принципе ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), который был важной ветвью физики и химии со времени открытия Блохом и Парселлом в 40-х гг. ХХ в. Поначалу ЯМР применялся лишь в качестве инструмента химического анализа материалов, а о его приложении к биологическим объектам пошла речь только в начале 70-х гг. ХХ в. В наши дни МРТ стал незаменимым методом визуальной диагностики благодаря своей информативности и отсутствию вредных воздействий.

Формально принадлежа к отрасли лучевой диагностики, МРТ не имеет с ней ничего общего в части применения ионизирующего излучения, но имеет общий рабочий принцип с другими видами томографии по своей сути (исходя из суммарной информации, полученной от некоторого среза вещества, определить локальную информацию, а именно — плотность вещества в каждой точке сечения объекта). Преимущество МРТ перед КТ состоит в более высокой разрешающей способности, большей контрастности изображений, МРТ позволяет составить более чёткое представление об объёме и неравномерности распространения опухолей благодаря возможности получения изображения в любых плоскостях.

Если даже при спиральной КТ с возможностью трехмерной реконструкции изображения в продольной и фронтальной плоскостях «додумываются» компьютером из поперечных срезов, то при МРТ, полученные томограммы (срезы) всегда являются истинными, что имеет очень важное значение для правильной оценки структур изучаемой области исследования.

Широкий диапазон режимов сканирования определяет детальное изучение того или иного патологического процесса с высокой степенью достоверности полученного результата. Метод продолжает интенсивно развиваться, приборы стали удобнее в обращении, улучшается качество изображений, сокращается время исследования, появляются новые алгоритмы и методики работы.

1.3 Базовые принципы магнитного резонанса

Принцип МРТ (ЯМР) основаны на том факте, что ядра определенных элементов имеют магнитный момент. Это означает, что если образец атомов одного из этих элементов был помещен в магнитное поле, его ядра будут выстраиваться в линию вдоль магнитного поля. Но ядра не выстраиваются строго в направлении магнитного поля. Каждый тип ядра имеет ассоциируемое с ним качество, называемое магнитным моментом. Идея внутреннего магнитного момента ядра — фундаментальная для МР изображения. Это может быть пояснено на примере вращения верха конуса. Когда он находится под углом к вертикали, он будет отклоняться от вертикальной оси (рис. 1а). Верх конуса будет вращаться вокруг своей собственной оси, а ось вращения верха будет поворачиваться вокруг вертикальной оси.

Рисунок 1 а) — Прецессия верха конуса вокруг вертикальной оси;

Рисунок 1 б) — Прецессия атомного ядра вокруг магнитного поля;

Рисунок 1 в) — Протон имеет две ориентации, в которых он может находиться в магнитном поле Это — явление так называемой прецессии, при котором ось вращающегося объекта поворачивается под действием внешних влияний.

Наглядно наблюдать прецессию можно, например, если запустить волчок и подождать, пока он начнёт замедляться. Первоначально ось вращения волчка вертикальна. Затем его верхняя точка постепенно опускается и движется по расходящейся спирали. Это и есть прецессия оси волчка. В случае МРТ прецессия возникает благодаря угловому моменту ядра, который называют спином (именно они позволяют генерировать изображения).

Спиновое квантовое число — квантовое число, определяющее величину спина квантовой системы (атома, иона, атомного ядра, молекулы), то есть её собственного (внутреннего) момента импульса.

В квантовой механике спин ядра представлен определенным значением. В зависимости от значения спинового числа, для каждого атомного ядра будет несколько разных ориентаций, в которых ядра могут выстраиваться в линию в магнитном поле. Каждая ориентация представлена разным углом направления магнитного поля, вокруг которого ядро будет осуществлять прецессию.

МРТ стала возможна благодаря тому факту, что ядро атома водорода (единственный протон) имеет магнитный момент. Спин протона таков, что протон имеет строго два возможных пути выстраиваться под действием приложенного магнитного поля (рис. в). Водород стал наилучшим агентом для использования в МР визуализации благодаря тому, что он широко присутствует в человеческом теле.

Частота, с которой ядро осуществляет прецессию — это функция как силы магнитного поля, так и собственно ядра. Данная частота, называемая Ларморовой частотой, пропорциональна силе магнитного поля и зависит от магнитных свойств ядра:

(1)

Уравнение Лармора описывает частоту, на которой ядро поглощает энергию.

Для проведения ЯМР исследования необходимо поместить объект в мощное, статическое и однородное магнитное поле, создающее внутри тканей изображаемого объекта макроскопическую ядерную намагниченность. Регистрация сигнала происходит от резонирующих ядер, имеющих как спин, так и магнитный момент. Такими ядрами являются водород 1Н, 2Н, углерод 13С, азот 14N, фтор 19 °F, натрий 23Na, фосфор 31Р. Чаще всего в МРТ используются протоны водорода 1Н по двум причинам: высокой чувствительности к МР сигналу и их высокому естественному содержанию в биологических тканях. Ядро водорода (протон) имеет два важных свойства: электрический заряд и спин. Магнитный момент пропорционален квантовому числу I (cпину). Спин ядра может иметь значения I = 0, ½, 1, 3/2, 2,…до 7.

Ядро также имеет магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем B₀. При помещении протона в поле B0 система может находиться только в двух энергетических состояниях: низкоэнергетическом (магнитный момент направлен параллельно B₀) и высокоэнергетическом (магнитный момент антипараллелен B₀). В состоянии равновесия большее количество спинов (N+) будет находиться в состоянии с меньшей энергией, чем в состоянии с большей энергией. Если ядро с угловым моментом P и магнитным моментом помещено в статическое сильное магнитное поле B₀, ориентация углового момента станет такой, как его составляющая P_z вдоль направления поля. На практике приходится иметь с ансамблем протонов. При отсутствии внешнего поля магнитные моменты ядер ориентированы случайным образом. При помещении объекта в постоянное магнитное поле ядра, обладающие спинами и магнитными моментами, начинают вести себя как диполи, выстраиваясь параллельно постоянному магнитному полю и формируя суммарный вектор намагниченности M (рис. 2).

Рисунок 2 — Распределение ядер при отсутствии (а) и наличии (б) внешнего магнитного поля и прецессия магнитного момента (в) Магнитные моменты индивидуальных спинов складываются, создавая суммарный вектор намагниченности, который представляет собой сумму магнитных моментов атомов. В перпендикулярной плоскости намагничивание будет отсутствовать, т.к. поперечные проекции всех моментов хаотично распределены и их суммарный вектор равен нулю. При этом сами диполи не находятся в статическом положении, а постоянно вращаются по конусу вокруг направления поля B₀ согласно Ларморовой частоте.

Для получения сигнала от ядер необходимо облучить объект, помещенный в постоянное магнитное поле, дополнительным радиочастотным (РЧ) полем. Если частота РЧ-сигнала совпадает с параметрами ядра и магнитного поля, то возникает резонанс — атомы элемента поглощают энергию импульса и переходят на более высокий энергетический уровень. После прекращения действия РЧ импульса образованный магнитными моментами ядер суммарный вектор намагниченности M_z, отклонившийся от направления силовых линий основного поля, возвращается в исходное состояние M₀. Т.о. после РЧ импульса продольная составляющая намагниченности M_z возвращается в состояние M₀, а поперечная намагниченность M_xy — в нулевое значение (рис. 3).

Рисунок 3 а) — формирование суммарного вектора;

Рисунок 3 б) — суммарный вектор намагниченности может быть поделен на два компонента — продольная намагниченность, проложенная в направлении магнитного поля (Мz) и поперечная намагниченность (Mxy) на поверхности, ортогональной к полю

1.4 Механизм взаимодействие радиоволн

В основу принципа метода магнитно-резонансной томографии положено использование магнитного поля и радиоволн для получения изображения, восстановленного математическими методами.

При МРТ происходит взаимодействие радиоволн (и статических магнитных полей) непосредственно с атомным ядром. Не все ядра реагируют на магнитное поле. Используется же в основном ядро атома водорода, так как водород содержится в любом организме в большом количестве и способен принимать и излучать радиоволны.

Магнитно-резонансная визуализация возможна вследствие физического эффекта: прецессии ядер вокруг вектора напряженности под действием сильного статического (постоянного) магнитного поля. Вращающийся протон (ядро водорода) прецессирует в сильном магнитном поле. На ядро, прецессирующее в приложенном магнитном поле, можно воздействовать внешним переменным электромагнитным полем (радиоволной).

Рисунок 4 — Размещение пациента в МР-томографе Магнитно-резонансная визуализация возможна в следствие физического эффекта: прецессии ядер вокруг вектора напряженности под действием сильного статического (постоянного) магнитного поля. Вращающийся протон (ядро водорода) прецессирует в сильном магнитном поле. На ядро, прецессирующее в приложенном магнитном поле, можно воздействовать внешним переменным электромагнитным полем (радиоволной). Воздействие радиочастотного излучения увеличивает угол наклона оси прецессии ядра. Радиоволны же воздействуют на прецессирующие ядра вследствие совпадения частоты этого излучения с собственной частотой прецессии — явление ядерно-магнитного резонанса. После выключения внешнего электромагнитного сигнала ядра возвращаются в свое первоначальное положение — процесс релаксации, и при этом излучают электромагнитные волны. Эти волны улавливаются принимающей катушкой во время фазы регистрации МР-сигнала и пересылаются в компьютер, где и происходит математическая реконструкция полученных данных в изображение.

Скорость релаксации дает информацию о состоянии ткани и позволяет выявить патологический процесс в тканях. Различают два типа Т1 и Т2-релаксация. Т1-вид релаксации происходит когда спины ядер переходят из состояния горизонтальной прецессии в более вертикальную. Т2-вид релаксации происходит когда спины ядер начинают прецессировать не в фазе друг с другом. Таким образом скорость восстановления ядер после воздействия радиоволн (скорость релаксации) является самым важным фактором в формировании МР-изображения.

Для получения информации из определенных областей или срезов используется градиентное магнитное поле в МР-системе.

1.5 Контрастирование

Контрастное вещество используемое в МРТ является парамагнитным агентом и сокращает Т1 и Т2 время релаксации протонов воды. Контраст ускоряет выравнивание по внешнему магнитному полю, что усиливает МР-сигнал и контраст изображения, особенно в областях, где он проходит через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Изображения головного мозга представлено на рис. 5.

а) б) в)

Рисунок 5 — Изображения головного мозга а) норма (Т1-ВИ); б) Т1-ВИ; в) Т1-ВИ + контраст.

Магнитно-резонансные миелография и цистернография — неинвазивные методики, позволяющие получать высококонтрастные по отношению к веществу мозга изображения ликворных пространств без дополнительного контрастирования. Их применяют, чтобы изучить анатомию ликворных пространств в различных отделах ЦНС (рис. 6). Набор изображений, полученных в режиме последовательных МР-срезов, используют, чтобы построить дополнительные косые сечения и объёмное изображение (чаще используют Т2-режим и импульсную последовательность 2D, «быстрое спиновое эхо») или объёмную модель структур желудочковой системы.

Магнитно-резонансная ангиография (МР-ангиография) и венография в отличие от спиральной КТ, обычной и цифровой субтракционной ангиографии позволяет визуализировать кровеносные сосуды даже без применения контрастного вещества.

Рисунок 6 — Изображения без дополнительного контрастирования

1.6 МР-венография

Диагностические возможности МР-ангиографии наиболее широко раскрываются при обследовании сосудов виллизиева круга, синусов головного мозга, сонных артерий, грудной и брюшной аорты. МР-ангиография сосудов головы и шеи является рекомендуемым исследованием перед хирургическим вмешательством на внутренних сонных артериях. У пациентов с реноваскулярной гипертензией контрастная МР-ангиография с внутривенным усилением позволяет оценить локализацию, протяженность и степень стеноза почечных артерий, спланировать последующее их стентирование.

1.7 Диффузионно-взвешенная МРТ

Диффузия — основной физический процесс, про исходящий в ходе метаболических реакций клетки. Для получения диффузионновзвешенных томограмм используют эхопланарные импульсные последовательности «спиновое эхо» ЕРI с двумя диффузионными градиентами одинаковой амплитуды и длительности. Для количественной оценки диффузионных свойств воды в ткани строят параметрические диффузионные карты, на них цвет каждого пиксела соответствует измеряемому коэффициенту диффузии. Первое диффузионно-взвешенное МР-изображение было построено в 1985 г. В клиническую практику диффузионная МРТ пришла вместе с МРТ-сканерами III поколения. Для визуализации анизотропии диффузии воды в ткани (рис. 7) применяют диффузионно-тензорную МРТ.

Рисунок 7 — Визуализация анизотропии диффузии В диффузионно-тензорной МРТ по ориентации эллипсоидов диффузии в вокселах определяют ход нервных волокон, образующих нервные тракты, соединяя друг с другом собственные векторы диффузионного тензора.

Вследствие этого тензорную МРТ часто называют трактографией — методом визуализации хода нервных трактов. В простейшей форме частичная анизотропия диффузии кодируется цветом, а визуализация направлений диффузионного движения молекул воды в тканях осуществляется окрашиванием определённым цветом пикселов в зависимости от ориентации их собственного вектора (красным — по оси Х, зелёным МР-трактография — по оси У, синим — по оси Z) .

Диффузионно-тензорная МРТ позволяет обнаружить структурные связи между отделами мозга, что особенно важно при объёмных процессах и заболеваниях, искажающих анатомическую структуру или разрушающих белое вещество.

МР-перфузия — малоинвазивный МРТ-метод — с минимальной инвазивностью, высокой чувствительностью в оценке тканевой микроциркуляции (рис. 8), высокой разрешающей способностью, и коротким временем исследования в рамках стандартных протоколов. В МРТ существуют методы исследования гемодинамических перфузионных процессов с помощью экзогенных и эндогенных маркёров (с использованием контрастных веществ, получение изображений, зависящих от уровня оксигенации крови, и др.).

Рисунок 8 — Оценка тканевой микроциркуляции Перфузионной МРТ в настоящее время называют методы оценки перфузии при прохождении болюса контрастного вещества. Эти методы исследования мозговой перфузии наиболее широко сейчас применяют в МР-диагностике, особенно в сочетании с диффузионными исследованиями. По мере прохождения болюса контрастного вещества по сосудистой системе многократно регистрируют изображение одного и того же среза (обычно это 10 разных уровней или срезов). Само сканирование занимает 1−2 мин. График снижения интенсивности МР-сигнала при прохождении болюса контрастного вещества даёт зависимость «интенсивность сигнала — время» в каждом пикселе среза. Форма этой кривой в артерии и вене определяет артериальную и венозную функции, с помощью которых рассчитывают гемодинамические тканевые параметры.

1.8 Функциональная магнитно-резонансная томография

Функциональная МРТ основана на усилении кровотока в мозге в ответ на увеличение нейрональной активности коры при действии соответствующего раздражителя.

Картирование активности мозга позволяет выявить области нейрональной активации, возникающие в ответ на стимуляцию (моторные, сенсорные и другие раздражители).

Использование импульсной эхопланарной последовательности на основе градиентного эха позволяет зарегистрировать МР-сигнал высокой интенсивности от активных участков коры мозга, причём время регистрации одного МР-изображения составляет около 100 мс. При функциональной МРТ сопоставляют интенсивность сигналов, зарегистрированных при физиологической нагрузке (активация) и в её отсутствие (контроль). Участки статистически значимого повышения МР-сигнала, выявленные при последующей математической обработке изображений, соответствуют зонам нейрональной активности мозга. Их выделяют цветом, строят карты нейрональной активности и накладывают их на Т1-МРТ или н, а трёхмерную модель поверхности мозга.

1.9 Магнитно-резонансная спектроскопия

Магнитно-резонансная спектроскопия (МР-спектроскопия) позволяет неинвазивно получить информацию о метаболизме мозга. Протонная lH — МР-спектроскопия основана на «химическом сдвиге» — изменении резонансной частоты протонов, входящих в состав различных химических соединений. Этот термин ввел N. Ramsey в 1951 г., чтобы обозначить различия между частотами отдельных спектральных пиков. Единица измерения «химического сдвига» — миллионная доля (ppm).

Основные метаболиты и соответствующие им значения химического сдвига, пики которых определяются in vivo в протонном МР-спектре:

— NAA — N-ацетиласпартат (2,0 ppm);

— Cho — холин (3,2 ppm);

— Сr — креатин (3,03 и 3,94 ppm);

— mI — миоинозитол (3,56 ppm);

— Glx — глутамат и глутамин (2,1 -2,5 ppm);

— Lac — лактат (1,32 ppm);

— Lip — липидный комплекс (0,8−1,2 ppm).

В настоящее время в протонной МP-спектроскопии используют два основных метода — одновоксельную и мультивоксельную (Chemical shift imaging) МР-спектроскопию — единовременное определение спектров от нескольких участков головного мозга. В практику сейчас стала также входить мультиядерная МР-спектроскопия на основе MP-сигнала ядер фосфора, углерода и некоторых других соединений.

При одновоксельной 1Н-МР-спектроскопии для анализа выбирают только один участок (воксел) мозга. Анализируя состав частот в регистрируемом от этого воксела сигнале, получают распределение пиков метаболитов по шкале химического сдвига (ррm).Соотношение между пиками метаболитов в спектре, уменьшение или увеличение высоты отдельных пиков спектра позволяют неинвазивно оценивать биохимические процессы, происходящие в тканях (рис. 9).

2. Основные типы аппаратуры. Клиническое применение МРТ

2.1 Резистивные магниты. Постоянные магниты. Сверхпроводящие магниты

В состав МР-томографа входят пять основных компонентов: магнит; градиентные катушки; радиочастотные катушки; электронная система обеспечения; компьютер и дисплей.

Существует три типа магнитов для МРТ.

Магнитное поле резистивного магнита создается электрическим током, протекающим через катушку.

Требует большого количества электроэнергии, необходимое для получения сильных магнитных полей.

Электрические токи сильно нагревают магнит. Тепло удаляется мощной системой охлаждения.

Типичная резистивная система вырабатывает магнитное поле напряженностью до 0,3 Тесла.

Постоянное магнитное поле типа создает постоянный магнит.

Содержание не требует высоких эксплуатационных расходов, то есть расходов на электроэнергию и криогенные материалы.

В основе материалы создающие постоянное магнитное поле (аналогичный магнит использует каждый в повседневной жизни, например закрепляя записку на двери холодильника).

Некоторые большие постоянные магниты могут генерировать поле с напряженностью до 0,3 Тесла.

Сверхпроводящий магнит является также электромагнитом. Используется свойство сверхпроводимости, которое присуще некоторым материалам при очень низких температурах.

Сверхпроводящий материал практически не имеет электрического сопротивления. При этом поддержание мощного потока электричества почти не требует энергетических затрат.

Необходимы охлаждающие криогенные материалы: жидкий азот, либо жидкий гелий.

Сверхпроводящие магниты создают магнитное поле высокой напряженности до 2,0−3,0 Тесла и более.

2.2Типы МР-томографов

В настоящее время распространены приведенные ниже типы МР-томографов.

Закрытый тип (короткий канал с раструбом) представляет собой МР-томограф с каналом, имеющим на конце раструбо-образное расширение (рис. 10).

Рисунок 10 — Закрытый тип Открытый МР-томограф представляет собой полностью открытый тип с резистивным магнитом (рис. 11).

Рисунок 11 — Открытый тип Интраоперационный томограф (рис. 12) объединяет в себе функции компьютерного томографа и электронно-оптического преобразователя. Аппарат помогает специалистам проводить различные операции на позвоночнике и спинном мозге. Преимущества томографа в том, что он позволяет создать 3D-реконструкцию, увидеть во всевозможных проекциях костные структуры позвоночника. Аппарат оснащен навигационной системой, определяющей, в каком отделе находится инструмент, куда двигаться дальше. С помощью нового томографа значительно удобней проводить медицинские манипуляции, а также существенное сокращение реабилитационного периода пациентов.

Процедура МРТ-исследования ребенку осуществляется на детском томографе (рис. 13). Маленький пациент ложится на специальный стол томографа. Ребенку могут предложить послушать музыку через наушники или даже посмотреть фильм.

Рисунок 12 — Интраопреционный МР-томограф Рисунок 13 — Детский МР-томограф На рис. 14−21 представлены изображения (норма и патологические процессы), формируемые МРТ.

Рисунок 14 — Головной мозг. Норма Рисунок 15 — Окклюзионная гидроцефалия (стеноз водопровода).

Рисунок 16 — Позвоночник. Грыжа L5/S1 диска Рисунок 17 — Норма поясничного отдела позвоночника Рисунок 18 — Норма МРТ коленного сустава Рисунок 19 -Разрыв заднего рога медиального мениска Рисунок 20 — Норма МРТ брюшной полости Рисунок 21 — Эхинококовые кисты в печени и селезенке

3. Математические аспекты применения программных систем при анализе медицинских изображений

3.1 CAD-системы

Одним из направлений развития компьютерных технологий в медицине является обработка цифровых изображений: улучшение качества изображения, восстановление поврежденных изображений, его распознавание отдельных элементов. Распознавание патологических процессов является одной из наиболее важных задач обработки медицинских изображений. Для решения данной задачи используются компьютерные системы диагностики — CAD (computer added diagnostic).

Алгоритм CAD-системы медицинских изображений включает в себя сегментацию изображения, выделение объектов интереса («масс»), их анализ, параметрическое описание, их классификацию. При этом выделенные объекты являются отражением патологического процесса в организме, а их классификация отвечает на вопрос — все ли выделенные объекты являются проявлением патологического процесса.

В качестве методов параметрического описания выделенных объектов используется текстурный, гистограммный и морфометрический анализ, однако сочетание этих методов применяется редко. Классификация объектов интереса может проводиться по методу нейронных сетей, опорных векторов, дискриминантного анализа и др. Вместе с тем, задача автоматизированной диагностики патологических процессов по данным медицинских изображений далека от своего разрешения. Актуальной проблемой остается определение оптимальных методов параметрического описания объектов интереса, что может оказывать непосредственное влияние на качество классификации данных объектов.

Одним из подходов к решению данной проблемы является использование CAD-системы оценки планарных сцинтиграмм скелета у онкологических больных. Планарная сцинтиграфия скелета — это метод диагностики костных метастазов, заключающийся в введении больным радиофармпрепарата (РФП) — фосфатных комплексов, меченных изотопом^99mTc. Фосфатные комплексы связываются с кристаллами гидроаппатита, уровень которых повышен в зонах костных метастазов. Гамма излучение обусловленное изотопом ^99mTc регистрируется датчиками гамма-камеры. За счет этого формируется электронное изображение скелета (передняя и задняя проекция), на котором можно выявить метастатическое поражение задолго до появления выраженной локальной деминерализации и костной деструкции, которая регистрируется при рентгенологическом обследовании.

Функциональная схема CAD-системы включает перевод изображения из формата DICOM в среду MATLAB с последующей автоматической сегментацией изображения «пороговым» методом и сохранением его в архиве. Результатом сегментации является выделение очагов гиперфиксации (ОГФ) РФП, которые и представляются «зонами интереса». Для данных зон проводится текстурный анализ по методу Харалика и локальной бинарной текстуры (Local Binary Patterns-LBP), а также гистограммный и морфометрический анализ. Одновременно выделенные очаги гиперфиксации РФП должны анализироваться экспертом, разделяясь на метастатические и неметастатические очаги. Формируется обучающая выборка, состоящая из объектов — проанализированных экспертом очагов гиперфиксации РФП, Каждому объекту в обучающей выборке соответствует просчитанный набор гистограммных, текстурных и морфометрических параметров. Перечень параметров оценки ОГФ РФП, отмеченных на сцинтиграммах, представлен в табл. 1.

Таблица 1 — Перечень параметров оценки очагов гиперфиксации РФП

Автоматическое распознавание распознавания ОГФ с разделением их на «метастатические» и «не метастатические» проводится на основе метода опорных векторов (SVM — support vector machines) — набора алгоритмов вида «обучение с учителем», использующихся для задач классификации и регрессионного анализа.

Основная идея метода опорных векторов — перевод исходных векторов в пространство более высокой размерности и поиск разделяющей гиперплоскости с максимальным зазором в этом пространстве. Две параллельных гиперплоскости строятся по обеим сторонам гиперплоскости, разделяющей классы. Разделяющей гиперплоскостью будет гиперплоскость, максимизирующая расстояние до двух параллельных гиперплоскостей. Алгоритм работает в предположении, что чем больше разница или расстояние между этими параллельными гиперплоскостями, тем меньше будет средняя ошибка классификатора. Метод опорных векторов был положен в основу формирования классификатора (классифицирующей функции), на основе обучающей выборки.

При этом классификатор создан отдельно для объектов передних и задних сканограмм. Качество получившегося классификатора проверяется на выборке неклассифицированных ОГФ передних (200 очагов) и задних (200 очагов) сканограмм. Целью такой экспериментальной оценки является измерение производительности классификатора т. е. его способности принимать верные решения (вероятность верной классификации).

Оценка качества классификатора была проведена с помощью ROC-кривой, выражающей соотношение уровня верных и ложных обнаружений. При этом рассчитывается численный показатель площади под ROC-кривой — AUC (Area Under Curve).

При интерпретации значений AUC интервал 0.9−1.0 соответствует отличному качеству модели, 0.8−0.9 — очень хорошему, 0.7−0.8 — хорошему, 0.6−0.7 — среднему, 0.5−0.6 — неудовлетворительному. Для изучения влияния текстурных, гистограммных и морфометрических параметров на качество классификатора классификационная функция выстраивается с учетом параметров, рассчитанных только одним из четырех методов. Оценка качества классификатора осуществляется с помощью ROC-кривых и AUC (рис. 22).

Рисунок 22 — Качество классификационной функции CADсистемы оценки планарных остеосцинтиграмм при использовании отдельных методов параметрического описания объектов интереса Классификатор, созданный на основании данных морфометрического анализа ОГФ РФП, имеет средний уровень качества. При этом отсутствуют сколько-нибудь выраженные различия между классификаторами для сцинтиграмм передних (AUC_ant = 0,63) и задних (AUC_post= 0,66) проекций. Ситуация, близкая к изложенной выше, наблюдается и для классификатора, созданного на основании метода локальной бинарной текстуры. Качество классификатора для передних проекций сцинтиграмм описывается ROC-кривой с AUC_ant = 0,73), а для задних прекций сцинтиграмм — ROC-кривой с AUC_post = 0,74. Качество классификатора возрастает при использовании для его создания данных текстурного анализа по Харалику. Это особенно заметно в классификаторе для задних проекций сцинтиграмм (AUC _post= 0,88). Качество классификатора для передних проекций сцинтиграмм несколько ниже (AUC _ant = 0,78). Аналогичные данные получаются при проверке классификатора, построенного на основании материалов гистограммного анализа.

Наиболее информативным является классификатор, построенный на основании данных всех четырех рассмотренных выше видов анализа. При проверке эффективности классифицирующей функции на тестовой выборке очагов гиперфиксации РФП с помощью ROC-анализавыявлено, что качество классификатора для задних проекций сцинтиграмм выше, чем для передних (AUC _post= 0,96 и AUC _ant = 0,86, соответственно).

САD-системы до настоящего времени нашли пока еще ограниченное применение в анализе планарных сцинтиграмм скелета. Отчасти это связано со сложностями параметрического описания выявляемых ОГФ РФП. Однако известные САD-системы в основном используют данные текстурного анализа. В отличие от них, описанный алгоритм диагностической системы включает данные, полученные с помощь иных методов анализа. При этом, несмотря на то, что информативность морфологического анализа и локально-бинарного текстурного анализа невелика, их сочетание с текстурным анализом по Харалику и гистограммным анализом существенно повышает производительность классификатора. Тем самым улучшаются диагностические возможности CAD-системы.

Качество классификатора CAD-системы оценки планарных остеосцинтиграмм существенно возрастает при построении классификационной функции по данным, полученных при параллельном использовании текстурного анализа по методу Харалика и локальной бинарной текстуры, а также гистограммного и морфометрического анализа.

3.2 Медиалог

Медицинская информационная система МЕДИАЛОГ, будучи комплексным решением, состоит из модулей и опций к этим модулям. Каждый модуль содержит определенную функциональность, которая позволяет медицинскому учреждению автоматизировать определенные виды своей деятельности. Каждая опция относится к одному из модулей и содержит дополнительную функциональность, отсутствующую в базовой поставке модуля.

Модули и опции являются функциональными единицами медицинской информационной системы МЕДИАЛОГ. Кроме того, от состава приобретаемых модулей зависит стоимость лицензий.

Модульная структура системы:

— электронная медицинская карта (Медицинская информационная система МЕДИАЛОГ одна из первых на российском рынке последовательно развивала концепцию электронной медицинской карты пациента. В зависимости от профиля медучреждения (амбулатория или стационар) может быть использована амбулаторная карта или история болезни пациента в электронном виде. Экспорт ЭМК в HTML формате. Возможен экспорт электронной медицинской карты пациента из в формате интернет-браузера);

— статистика (одно из главных достоинств современной МИС — автоматизация медицинской статистики и других форм отчетности. Медицинская информационная система МЕДИАЛОГ предоставляет пользователям оперативный доступ к отчетам разного вида: управленческим, финансовым, медицинской статистики, материального учета. Возможность создания отчетов любой сложности средствами встроенного визуального редактора);

— расписание (медицинская информационная система МЕДИАЛОГ содержит развитый и гибкий инструментарий для поддержки расписания приема врачей, диагностических кабинетов, мест групповых занятий. Удаленный доступ. Работа с расписанием приёма одного или нескольких удаленных медицинских учреждений (используется для сетей медицинских учреждений));

— лаборатория (медицинская информационная система МЕДИАЛОГ содержит лабораторный модуль для организации бизнес-процесса лаборатории и работа по направлениям. Поддерживаются лабораторные профили с возможностью ввода или автоматизированного импорта результатов исследований от анализаторов. Забор биоматериала. Контроль качества);

— учет услуг (медицинская информационная система МЕДИАЛОГ обеспечивает учет медицинских услуг и взаиморасчеты с различными контрагентами медицинских учреждений — страховыми компаниями, предприятиями и пациентами);

— коечный фонд (для больниц и госпиталей в медицинской системе МЕДИАЛОГ предусмотрен модуль планирования и учета палатного и коечного фонда. Различные схемы бронирования палат (номеров));

— планы лечения (план лечения — механизм поддержки стандартов лечения в единстве и взаимодействии с другими модулями медицинской информационной системы и удобное средство, облегчающее работу врача);

— стандарты лечения (МИС МЕДИАЛОГ поддерживает государственные стандарты лечения с помощью общего механизма работы с планами лечения и справочника шаблонов);

— репликация (медицинская информационная система МЕДИАЛОГ обеспечивает возможность обмена электронными медицинскими картами между разными учреждениями, синхронизации справочников и консолидации финансовой информации. Реализации режима работы на удаленных компьютерах (нотбуки) в офф-лайн режиме);

— PACS и протокол DICOM (медицинская информационная система МЕДИАЛОГ имеет встроенное PACS решение. Модуль обеспечивает просмотр изображений по протоколу DICOM и подключение DICOM-оборудования);

— METASCAN (модуль METASCAN обеспечивает подключение медицинского оборудования и организация импорт данных из внешних источников с помощью оригинальных технологий обмена информацией);

— системное ядро (обеспечение безопасности и конфиденциальности данных является одним из ключевых требований к современной МИС. Медицинская информационная система МЕДИАЛОГ содержит базовый модуль «Системное ядро», который обеспечивает доступ к базе данных и реализует систему безопасности в работе с данными. Включает в себя модуль статистики).

Система МЕДИАЛОГ и ее электронная медицинская карта позволяют хранить и обрабатывать любые изображения, например, рентгеновские снимки или результаты ангиографического обследования. Поддерживаются файлы в формате JPG, BMP, PNG или DICOM 3.0, а также протокол TWAIN-32, использующийся для взаимодействия со сканерами, цифровыми камерами и другими подобными устройствами.

Как и текстовые документы (справки, выписки, письма и т. д.), графические изображения могут быть прикреплены к электронной карте пациента и классифицированы по рубрикам. Врач может помещать прикрепленные изображения на схемы, делать на них пометки, пояснительные рисунки и надписи.

Возможности обработки медицинских изображений:

— поиск и добавление графических объектов к электронной медицинской карте;

— редактор графических изображений (рис. 23);

Редактор предоставляет пользователю следующие возможности:

— сохранить изображение как файл;

— копировать/вставить выделенный фрагмент в буфер/из буфера;

— печать документа;

— изменить яркость и контрастность;

— вписать изображение по горизонтали и по вертикали в размер документа с сохранением пропорций изображения;

— вписать изображение по горизонтали в размер документа с сохранением пропорций изображения;

— вписать изображение по вертикали в размер документа с сохранением пропорций изображения;

— вписать изображение по горизонтали и по вертикали в размер документа без сохранения пропорций изображения;

— отменить изменения в результате выполнения одной из четырех вышеперечисленных команд;

— поворот изображения на 90 градусов по часовой стрелке и против часовой стрелки;

— зеркальное отображение изображения относительно вертикальной и горизонтальной осей;

— вырезать в буфер выделенный фрагмент изображения;

— увеличить/уменьшить масштаб изображения;

— открывает окно со специальным набором инструментов для работы с растровыми изображениями;

Рисунок 23 — Пример редактора Медиалог

3.3 Состав стандарта DICOM. Информационная модель DICOM

DICOM (англ. Digital Imaging and Communications in Medicine) — отраслевой стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов.

DICOM опирается на ISO-стандарт OSI, поддерживается основными производителями медицинского оборудования и медицинского программного обеспечения.

Стандарт DICOM, разрабатываемый Национальной ассоциацией производителей электронного оборудования (National Electrical Manufacturers Association), позволяет создавать, хранить, передавать и печатать отдельные кадры изображения, серии кадров, информацию о пациенте, исследовании, оборудовании, учреждениях, медицинском персонале, производящем обследование, и т. п.

Стандартом DICOM определено два информационных уровня:

— файловый уровень DICOM File (DICOM-файл) — объектный файл с теговой организацией для представления кадра изображения (или серии кадров) и сопровождающей/управляющей информации (в виде DICOM тегов);

— сетевой (Коммуникационный) DICOM Network Protocols (сетевой DICOM-протокол) — для передачи DICOM файлов и управляющих DICOM команд по сетям с поддержкой TCP/IP.

DICOM File представляет собой объектно-ориентированный файл с теговой организацией. Информационная модель стандарта DICOM для DICOM файла четырёхступенчатая:

пациент (patient) > исследование (study) > серия (series) > изображение (кадр или серия кадров) (image).

Файловый уровень стандарта DICOM 3.0 редакции 2008 года описывает:

— атрибуты и демографические данные пациента;

— модель и фирму производителя аппарата, на котором проводилось обследование;

— атрибуты медицинского учреждения, где было проведено обследование;

— атрибуты персонала, проводившего обследование пациента [13];

— вид обследования и дата/время его проведения;

— условия и параметры проведения исследования пациента;

— параметры изображения или серии изображений, записанных в DICOM-файле;

— уникальные ключи идентификации Unique Identifier (UID) групп данных, описанных в DICOM-файле;

— изображение, серию или набор серий, полученных при обследовании пациента;

— представление, в первую очередь, PDF-документов в DICOM-файле;

— представление DICOM-записи на оптические носители, включая DVD формат;

— DICOM-протокол для передачи/приема по TCP/IP компьютерным сетям. DICOM Network Protocol использует TCP/IP для передачи медицинской информации едицинского оборудования в PACS-систему (Picture Archiving and Communication System) и для связи между PACS-системами. Протокол трёхуровневый — нижний, сразу над TCP — DUL (DICOM Upper Layer); над ним — сервисы: DIMSE (DICOM Message protocol) и ACSE (Association Control protocol — standard OSI protocol); и выше DICOM Application Interface. Над ними расположено приложение — Medical Imaging Application.

Стандарт DICOM позволяет производить интеграцию медицинского оборудования разных производителей, включая DICOM-сканеры, DICOM-серверы, автоматизированные рабочие места и DICOM принтеры в единую радиологическую (англ. Radiology information system) или клиническую информационную систему (англ. Hospital information system).

Стандарт DICOM включает в себя ряд сетевых (основных) сервисов:

— DICOM Store (Storage Service Class) — запоминание (сохранение) изображений и другой информации;

— DICOM Query/Retrieve (Query/Retrieve Service Class) — запрос/получение списка пациентов и/или исследований с другого DICOM-устройства;

— DICOM Media Store (Media Storage Service Class) — сохранение данных на носителях информации для обмена данными;

— DICOM SCP (Service Class Provider) — реализует роль сервера в DICOM-сети;

— DICOM SCU (Service Class User) — реализует роль клиента в DICOM-сети;