zadachi / задачи по биологии / kt

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Алтайский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации

Кафедра физики и информатики Кафедра лучевой диагностики

А.М. Шайдук В.К. Коновалов М.Н. Лобанов

Постпроцессинговая обработка медицинских изображений

Учебное пособие по медицинской технике для студентов медико-биологических специальностей

Барнаул – 2012

Кафедра физики и информатики Кафедра лучевой диагностики

Шайдук А.М., Коновалов В.К., Лобанов М.Н.

Постпроцессинговая обработка медицинских изображений. Учебное пособие для студентов медико-биологических специальностей

– Барнаул, 2012 г. 22 с. с илл.

Рецензент: доктор медицинских наук, профессор Фёдоров В.В.

В учебном пособии кратко изложены основные понятия и методики, которые используются при анализе медицинских изображений, получаемых в ходе томографического исследования пациента. Приведены практические задания для студентов и описаны методики измерений некоторых характеристик рентгеновских томографических изображений.

Пособие предназначено для преподавателей и студентов медицинских ВУЗов.

c Шайдук А.М., Коновалов В.К., Лобанов М.Н. 2012

c Алтайский государственный медицинский университет, 2012

Лабораторная работа 1. Постпроцессинговая обработка медицинских изображений

Цель работы:

1.Знакомство с методикой постпроцессинговой обработки медицинских изображений.

2.Определение поперечного размера нисходящего отдела грудной аорты.

3.Определение денситометрического показателя крови в аорте.

1.1. Краткое теоретическое введение

1.1.1. Как получается изображение с помощью компьютерной томографии

В рентгеновском томографе тело человека просвечивают рентгеновским лучом (см. рис. 1.1).

На выходе из рентгеновской трубки рентгеновский луч имеет плотность потока энергии (далее будем применять термин – «интенсивность») I0. Из-за поглощения в теле человека на выходе из него интенсивность рентгеновского излучения I уже будет меньше,

I < I0.

Если бы тело человека было однородным, как, например, пласт-

массовая фляга с жидкостью, то
I = I0 e x	(1.1)

где x – длина пути рентгеновского луча в теле человека, – коэффициент поглощения. Он зависит от вещества, по которому пришлось пройти рентгеновскому лучу.

Коэффициент – почти известная величина (см. Приложение 2). Скажи мне, какой у тебя , и я скажу, из чего ты, возможно, состоишь.

Поэтому задача рентгеновского исследования с точки зрения физики – найти внутри человека, просвечивая его

рентгеновскими лучами.

3

Как определить коэффициент поглощения ?

Если измерить I и I0, а также знать x, то можно из (1.1) получить уравнение для определения

I

x = ln I0 (1.2)

Решив уравнение (1.2) и найдя , мы узнаем по таблице, что там налито во фляге с жидкостью.

Фляги с жидкостью медицину не интересуют. А человеческое тело отличается от жидкости.

Человеческое тело неоднородно, в разных местах тела коэффициент разный.

Давайте разобьем весь путь рентгеновского луча (он будет примерно 50 см, иначе пациент не войдет, см. рис. 1.2) на 512 одинаковых маленьких отрезков. Тогда этот отрезок будет иметь длину примерно 50=512 0:1 см 1 мм. Это ведь небольшой отрезок. Кубик, мысленно выделенный внутри человеческого тела с размерами 1 1 1 мм3 давайте назовем воксел1. Это действительно маленький кубик.

Можно надеяться, что, хотя у разных кубиков в теле человека коэффициент разный, внутри кубика вещество однородно, поэтому для этого воксела справедлив закон поглощения (1.1). Теперь формула (1.2) видоизменится. Она запишется теперь как

I

1 x + 2 x + 3 x + ::: + 512 x = ln I0 (1.3)

и мы видим из соотношения (1.3), что теперь все стало очень плохо. Невозможно найти 512 неизвестных из единственного урав-

нения (1.3).

К счастью огромного количества пациентов в 1917 году австрийский математик Иоганн Карл Август Радон придумал выход!

Сильно упрощая его идеи, можно передать их так. Нужно просвечивать тело человека еще и еще раз, немного изменяя направление рентгеновского луча. При этом на пути луча будут попадаться

1Здесь не обошлось без вранья. Воксел определяется немного по другому. Но это ложь во спасение.

4

новые вокселы и количество неизвестных начнет возрастать – это вроде бы плохо. Но и число уравнений типа (1.3) тоже растет

– это хорошо. Как только число уравнений станет равно, или даже больше числа неизвестных – эти уравнения можно решить и найти коэффициенты для всех вокселов в теле человека.

Эти уравнения решаются, конечно, в автоматическом режиме компьютерами. Результат решения – число для каждого воксела.

Эти результаты можно представить и графически – превратить воксел в теле человека в пиксел на экране компьютера. Например, так: чем больше у воксела, тем ярче изображение пиксела на экране.

Мы получим чудо! Мы увидим в определенном смысле внутреннее строение тела живого человека неинвазивным способом!

Рис. 1.1. Схема томографического	Рис. 1.2. А так выглядит томограф
исследования. 1 – источник рентге-	внешне. Источник излучения, при-
новского излучения, 2 – приемники	емники излучения, вращающиеся
излучения. Взято из [1]	детали скрыты за корпусом.

.

5

1.1.2.Что означают КТ-цифры в медицинском изображении?

Врачам не понравились все эти .

Их численные значения для разных тканей организма плохо запоминаются, да еще и сильно зависят от длины волны рентгеновского излучения.

Поэтому специально для врачей Годфри Хаунсфилд предложил вместо коэффициента рассчитывать КТ-число

	H = 1000		воды	(1.4)
			воды

Это число и записывает программа обработки измерений интенсивности рентгеновского излучения I при томографическом исследовании.

Строго говоря, как видно из (1.4), это число H безразмерно, однако у врачей почему-то принято говорить, что оно измеряется в хаунсфилдах (HU). Из уважения к медицине мы тоже будет так поступать.

Посмотрите на соотношение (1.4).

Если воксел в теле человека окажется заполненным водой ( =воды), то из соотношения (1.4) видим, что H = 0 HU. Если воксел (где-нибудь в легких) окажется заполненным воздухом, то H = 1000 HU, потому, что воздух слабо поглощает рентгеновское излучение и для воздуха 0.

Для крови H 45 HU. Для костной ткани этот показатель может быть больше тысячи.

1.1.3.Что можно узнать по медицинскому изображению?

В настоящее время ни одна медицинская специальность не может обойтись без визуализации внутренних органов и тканей человека, поэтому анализ медицинских изображений - важнейшая часть диагностического процесса.

Анализируя эти изображения, врач имеет возможность, например

6

увидеть опухоль или инородное тело, оценить их размеры и местоположение;

определяя объективные параметры патологического образования, определить стадию его развития, распространенность процесса и т.п.

рассмотреть расположение органов и систем человека, увидеть патологические изменения в них, например, переломы и т.п.

Медицинские изображения дают основной объем информации о пациенте в контексте истории болезни пациента. Они используются при установке диагноза, при последующем лечении и планировании терапии.

При установке диагноза медицинские изображения, полученные в медицинском центре, обычно визуализируются и интерпретируются рентгенологом сразу после их получения перед тем, как передать их лечащему врачу (часто в виде рентгеновских снимков) для повторного рассмотрения. Эти два чтения снимка обычно происходят в разных кабинетах и, может быть, даже в разных зданиях. При последующем лечении в работу со снимками могут быть вовлечены и другие врачи, поскольку изображения, полученные в разное время, могли быть сделаны в разных центрах, и для их чтения может потребоваться несколько врачей. При планировании терапии и в ходе лечения изображения должны быть доступны и в больничной палате, где проводится лечение.

Томографическое изображение обладает важнейшим отличием от обычного теневого, определяющим его значение для медицинской диагностики: оно не содержит мешающих теней. В сложнейших по структуре медицинских изображениях обилие наложенных друг на друга теней различных органов ухудшает субъективное восприятие деталей малых контрастов в несколько раз.

Возможности математического восстановления и обработки данных позволяют поднять качество медицинского изображения до предела, определяемого дозой и квантовыми флюктуациями излучения. В современном компьютерном томографе возможно реконструировать

7

3D-изображения с воспроизводимыми на экране теневыми эффектами, определять формы объектов с заданной интенсивностью и проводить четырехмерную ангиографию и т.д.

1.2.Описание экспериментальной установки

Вам не придется сейчас работать непосредственно с пациентом. Пациенты уже были на приеме у врача-рентгенолога, их компьютерные томограммы были получены с помощью мультиспирального компьютерного томографа – сложного и дорогостоящего прибора и записаны в файлы.

Вот с этими файлами Вам и предстоит работать.

Для этой цели предназначены специальные программы обработки медицинских изображений. Одной из таких программ Вам и придется воспользоваться.

Таким образом, экспериментальная установка в этой работе представляет собой компьютер с установленной на нем программой постпроцессинговой2 обработки медицинских изображений и результатами ранее проведенного сканирования человека, записанными в виде файлов в формате DICOM3 (читается – «дайком»).

1.2.1.Краткое описание возможностей программы

Программа eFilm Workstation позволяет изучать медицинские изображения, полученные при магнитно-резонансной томографии, компьютерной томографии, цифровой рентгенографии, эндоскопии, маммографии, позитронно-эмиссионной томографии, цифровой флюорографии, ультразвуковых исследованиях.

В частности, врач может измерять линейные размеры органов и

2Постпроцессинг – это изучение изображений после этапа визуализации, то есть действия, которые производятся над уже готовыми изображениями. В настоящее время эти изображения часто записаны и хранятся в электронном виде.

3DICOM (англ. Digital Imaging and COmmunications in Medicine) — Цифровые изображения и коммуникации в медицине – принятый стандарт создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов.

8

патологических образований, оптическую плотность тканей и получать трехмерные изображения внутренних органов пациента.

eFilm Workstation - один из удобных и функциональных (простых в освоении) инструментов для работы с DICOM – изображениями. Программа работает с файлами, записанными в формате DICOM. Дополнительную информацию о программе можно найти в [2], [3].

Использование стандарта DICOM является важной задачей, решение которой приносит огромную пользу конечным потребителям медицинских изображений - лечащим врачам и консультантам. Здесь надо иметь в виду одно очень важное обстоятельство: пока речь будет идти об интерпретации снимков одного пациента, то передача условий проведения исследований, описанная в стандарте DICOM, вряд ли будет немедленно востребована врачами. Значительную часть этой информации они могут получить, глядя на снимок, на основании знания сложившейся практики проведения исследований, надписей со значениями параметров, сделанных на изображении, текстов описаний и заключений, приложенных к снимку. Передача условий проведения исследований гораздо важнее для последующей автоматизированной обработки результатов исследований. Затраты на активное внедрение стандарта DICOM надо рассматривать как долгосрочные инвестиции, необходимые для постепенной автоматизации не только процесса передачи, но также и клинической интерпретации медицинских изображений. Стандарт DICOM активно используется в Алтайском крае для проведения удаленных медицинских консультаций и дистанционного обучения по различным видам диагностики и лечения, как в реальном времени, так и в отложенном режиме, с использованием любых каналов связи.

1.3.Рекомендации по проведению эксперимента

1.3.1. Порядок запуска программы обработки

Найдите на рабочем столе ярлык «eFilm» (иконку ). Кликните по ней. Процесс пошел!

9

1.3.2. Порядок выполнения измерений

Впоявившемся первичном окне нажмите «Ok» Откроется окно

с«менеджером» проведенных ранее исследований (рис. 1.3).

1. Выберите мышкой пациента 007, кликните «View» (рис. 1.4).

Рис. 1.3. Менеджер проведенных	Рис. 1.4. Пометка пациента 007 и
ранее исследований.	открытие его "срезов"

Рис. 1.5. Отображение "срезов".	Рис. 1.6. Отображение количества
	открытых окон.

2. Закройте Thumbnail (панель миниатюр) – если она появи-

10