Одесский национальный медицинский университет
Кафедра Биофизики, информатики и медаппаратуры
методическая разработка
студентам II курса по изучению темы:
Визуализация.
Утверждено
на методическом совещании кафедры
«___» _________________ 20 __ г.
Протокол № _________
Зав.кафедрой,
д.м.н., профессор __________ Годлевский Л.С.
Одесса - 2020
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
1. Актуальность темы.
Использование медицинских изображений является одним из важных средств получения
визуальной информации о внутренних структуры и функции человеческого тела. Кроме того,
использование методов медицинской визуализации приобретает все больший вес в процессе
диагностики. Арсенал методик, используемых достаточно широк: это радиологические
изображения (обычная рентгенография и томография), ядерно-магнитный резонанс,
ультразвук, фотографические изображения в цитологии, патологии, дерматологии,
видеофильмы в эндоскопии, изображения, полученные в результате реконструкции.
2. Конкретные цели занятия:
интерпретировать:
-
методики получения медицинских изображений;
средства получения медицинских изображений.
анализировать:
-
образцы медицинских изображений;
о объекты медицинских изображений;
современные тенденции обработки изображений.
демонстрировать:
умение обработки и визуального анализа медицинских изображений
3. Базовый уровень подготовки
Названия
предыдущих полученные навыки
дисциплин
Элективный
Владеть навыками работы с программным
курс «Европейскийстандарт
обеспечением
компьютера ютера:
уметь
комп ютерной грамотности»
загружать графический редактор, работать с
графическими файлами, изменять параметры
графических объектов в среде графического
редактора
4. 4. Задания для самостоятельной работы при подготовке к занятию
4.1. Перечень основных терминов, которые должен усвоить студент при подготовке
к занятию.
срок
медицинское изображения
аналоговые изображения
матричные изображения
рентгенология
Компьютерная томография
определение
доступную
зрительном
сприйняттюкартину
пространственного распределения любого вида
излучения, трансформированного в видимую часть
оптического диапазона
Изображения, которые несут в себе информацию
непрерывного характера
Изображения,
получаемые
с
помощью
компьютера.Они имеют в своей основе матрицу,
содержится в памяти ПК
Метод
получения
изображения,
который
использует ионизирующее излучение от источника
рентгеновских лучей.
Метод
получения
изображения,
который
использует рентгеновские лучи, но вместо одного
плоского
изображения
КТ-изображения
получается в результате компьютерной обработки
Ядерно-магнитный резонанс
ультразвуковое исследование
сцинтиграфия
нескольких изображений, отснятых в разных
направлениях
Метод получения изображения, при котором
компьютер восстанавливает изображение от
полученных радиосигналов, интенсивность и
продолжительность
которых
зависит
от
биологических характеристик ткани
Метод
получения
изображения,
который
используетзвуковые (упругие) колебания высокой
частоты.Зонд
выпускает
ультразвуковые
импульсы и получает отражены, которые с
помощью
пьезоэлектрических
кристаллов
превращаются в электрические сигналы
Метод получения изображения организм вводится
радиоактивная
метка,
что
тропизм
к
определенному виду ткани.
4.2. Теоретические вопросы к занятию:
1. Понятие медицинского изображения. Медицинское изображение как о объект
медицинской информатики.
2. Средства получения изображений.
3. Обработка медицинских изображений.
4. Проблемы обработки и анализа изображений. Современные тенденции
обработки изображений.
5. Обработка двумерных и трехмерных медицинских изображений.
содержание темы
Понятие медицинского изображения.
Работа с графической информацией традиционно является одним из важнейших
направлений применения компьютера в медицине, который рассматривается в специальном
подразделении медицинской информатики, получил название анализ медицинских
изображений.
Медицинское изображение является одним из важных средств получения визуальной
информации о внутренних структуры и функции человеческого тела. Оно может быть
получено радиологическим или нерадиологичнимы методами.
Назначение радиологических методов сделать
доступным
для
визуального
восприятия информацию, не воспринимается непосредственно зрением. Такая информация
(изображения органов или частей органов) получается с помощью излучения. Это излучение
имеет, как правило, электромагнитную природу. Медицинские изображения органов (medical
imaging) получены средствами радиологической диагностики является главным источником
информации в области здравоохранения. Все эти методы для получения изображений
используют вычислительные процедуры.
Нерадиологичнимы методами получают изображения, снятые видеокамерой
(эндоскопия) или сфотографированы (микроскопические изображения в гистологии,
патологии, дерматологические изображения и т.п.). Эти типы изображений также могут быть
переведены в цифровую форму и впоследствии обработаны.
В дальнейшем будем рассматривать преимущественно медицинские изображения,
полученные
радиологическим
методами. Именно
поэтому
под
понятием "медицинскоеизображение" понимать доступную зрительному восприятию
картину пространственного распределения любого вида излучения, трансформированного в
видимую часть оптического диапазона.
После образования изображения оно должно быть интерпретировано. Средство
интерпретации и показа может быть носителем исходного изображения, например,
видеофильм, из которого был сформирован изображения или другой носитель - фотография
или монитор компьютера.
Медицинское изображение как объект медицинской информатики.
Все многообразие медицинских изображений, независимо от способов их получения,
могут быть отнесены к одной из двух основных групп: аналоговое и матричное изображение.
К аналоговых изображений относятся те, которые несут в себе информацию
непрерывного характера. Это изображение на обычных рентгенограммах, сцинтиграмах,
термограммах. Аналоговые сигналы это непрерывные сигналы, в них присутствует много
лишней информации.
К матричных изображений относятся такие, которые получаются с помощью
компьютера. Они имеют в своей основе матрицу, содержится в памяти ПК. Матричными
изображениями есть образы, полученные при компьютерной томографии, Цифровая
рентгенографии, МР-томографии, ЭВМ-сцинтиграфии с компьютерной обработкой
информации, ультразвуковом сканировании. Таким образом, матричные изображения в
отличие от аналоговых имеют дискретный характер. Поскольку в основе матричных
изображений лежит компьютеризированные технологии, они становятся доступными для
разнообразной обработки на ЭВМ.
Необходимо отметить, что аналоговые изображения могут быть преобразованы в
матричные и, наоборот, матричные в аналоговые. С этой целью применяют специальные
устройства: аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Матричное изображение формируется путем сканирования электронным лучом по
строкам. Тем самым создается возможность для восприятия изображения в реальном
времени. Для этого применяется специальный дисплейный процессор, который через систему
связи (интерфейс) подключен к основной ЭВМ. Память дисплейного процессора
организована в виде матрицы, каждому из элементов которой соответствует своя
определенная участок дисплея. Подобная элементарная единица матричного изображения,
который соответствует занумерованы участок памяти, получила название «пиксель» (от
английского pixel-picture element - элемент картины). Таким образом, вся площадь экрана
дисплея представляет собой матрицу - совокупность пикселей. В лучевой диагностике
площадь дисплея может формироваться в виде следующих матриц: 32 32, 64 64, 128 128,
256 256, 512 512, 1024 1024, 1024 1280 пикселей. Чем на большее число пикселей
разбивается площадь дисплея, тем выше разрешение системы отображения.
Каждый пиксель изображения записывается в памяти дисплейного процессора
различным числом бит - от 2 до 16. Чем большим количеством бит информации представлен
каждый пиксел изображения, тем лучше изображение по своим зрительными свойствах и тем
больше информации он содержит об исследуемом объекте. Так, 6-битный пиксель (байтовая
система записи пикселя), что чаще всего используется в ультразвуковой диагностике,
содержащий 2 6 = 64 оттенков серого цвета (от черного до белого). В радионуклидной
диагностике используется преимущественно 8-битный пиксель, в нем 2 8 = 256 градаций, то
есть уровней серого. Нетрудно подсчитать, что матричное изображение 64 64 пикселей в
радионуклидной диагностике требует 4096 байт памяти, а изображение 128 128 пикселей 16384 байт.
Более совершенные системы радионуклидной диагностики имеют изображения
256 256 и даже 512 512 пикселей. Для формирования таких изображений нужно при 8битном пиксели около 64 и 256 килобайт памяти компьютера, соответственно. Увеличение
объема задействованной памяти неизбежно приводит к снижению скорости обмена
информацией, сопровождается увеличением времени, необходимого для построения каждого
кадра изображения. Поэтому детализированные растры (256 256 и 512 512) применяют
преимущественно для получения статических изображений, то есть в диагностике очаговых
изменений в органах, тогда как грубые растры (64 64 и 128 128) используют главным
образом для динамических исследований.
Все медицинские изображения в лучевой диагностике могут существовать в виде
твердых копий - рентгенограмм, отпечатков на бумаге, фотобумаге; на магнитных
носителях лентах, дисках; или в нефиксированном виде - на экране дисплея или
рентгенодиагностического аппарата.
Объекты медицинского изображения можно разделять на твердые фрагменты (кости) и
фрагменты, которые могут быть деформированы (структуры мягкой ткани) или на
статические фрагменты (череп) и динамические (сердце, подвижные соединения).
Методы получения медицинских изображений
Для получения одно или двумерных медицинских изображений можно использовать:
электромагнитное излучение;
ультразвук.
Методами получения двумерных медицинских изображений являются:
цифровая радиология;
компьютерная томография;
ядерный магнитный резонанс;
2D-ультразвук.
Методами и источниками трехмерных изображений являются:
последовательность радиологических изображений или томографическое
изображение динамического объекта;
о емкое томографическое изображение части недвижимого объекта.
Коротко опишем указанные методики.
рентгенология (обычная радиология) использует ионизирующее излучение от
источника рентгеновских лучей. Это самый распространенный метод в отделениях
радиологии.Изображение регистрируется на пленке, чувствительной к рентгеновских лучей,
и может быть впоследствии из этих пленок переведены в цифровую форму. Можно получить
и непосредственно цифровое изображение, минуя стадию рентгенографической пленки - в
новых аппаратах, вместо пленок используют специальные матрицы.
цифровая ангиография показывает сосуды, удаляя из изображений нежелательные
структуры (кости и внутренние органы). Исследование проводят в два этапа. Сначала
получают изображения до инъекции контрастного вещества и переводят в в цифровую
форму. Затем они используются для создания маски, будет удалена из изображений,
полученных после инъекции.
Компьютерная томография (КТ) также использует рентгеновские лучи, но вместо
одного плоского изображения КТ-изображения получается в результате компьютерной
обработки нескольких изображений, отснятых в разных направлениях.
При ядерно-магнитном резонансе (ЯМР) компьютер восстанавливает изображение от
полученных радиосигналов, интенсивность и продолжительность которых зависит от
биологических характеристик ткани. Не используя ионизирующей радиации, ЯМР
предоставляет изображения, вид которых зависит от обмена веществ и характеристик
тканей.Ультразвуковое исследование (УЗИ) использует звуковые (упругие) колебания
высокой частоты. Зонд выпускает ультразвуковые импульсы и получает отражены, которые с
помощью
пьезоэлектрических
кристаллов
превращаются
в
электрические
сигналы. Сигналы, полученные от нескольких параллельных каналов, переводятся в
цифровую форму и обрабатываются, в результате чего образуется изображение.
Во время сцинтиграфии в организм вводится радиоактивная метка, что тропизм к
определенному виду ткани. Излучения, испускаемого, фиксируется с помощью
чувствительной к радиации камеры. Восстановленное изображение используется для оценки
функции органа.
Все радиологические методики получения изображения могут быть представлены в
виде следующей схемы (рисунок 1).
Первый блок в этой схеме источник излучения. Источник излучения может
находиться вне пациентом (например, при рентгенологическом и ультразвуковом
исследовании) или может быть введенным в организм (например, при радионуклидных
исследованиях).
Следующий Болок детектор излучения. .он Опосредованно взаимодействует
непосредственно с объектом (пациентом). Его назначение уловить электромагнитное
излучение или упругие колебания и превратить их в диагностическую информацию. В
зависимости от вида излучения детектором могут быть флюоресцентный экран, фото- или
рентгеновская пленка, и др.
Рис. 1. Система образования изображения.
В некоторых системах информационные сигналы с детектора поступают в блок
преобразования и передачи сигнала. Назначение этого блока - повысить информационную
емкость сигнала, убрать препятствия ( «шум»), превратить его в удобный для дальнейшей
передачи вид.
Затем преобразованы сигналы передаются в синтезатор изображения. Его назначение,
как следует уже из самого названия, - создать изображение исследуемого объекта органа,
части тела, всего человека. Разумеется, при использовании различных методик изображения
будет разным. Рентгенограммы раскрывают перед нами преимущественно макроморфологию
органов и систем. Радионуклидные сцинтиграммы отражают в первую очередь
функциональную анатомию человека. Ультразвуковое исследование позволяет судить о
строении и функции органов путем анализа их акустической структуры. Термография метод
оценки теплового поля человека.
Лучевые исследования планирует и выполняет врач-диагност. Это врач, получивший
специальную подготовку в некоторой области лучевой диагностики или овладел всеми ее
разделами. Его деятельность состоит из приема визуальной информации, ее обработки,
интерпретации результатов и принятия диагностического решения
Обработка медицинских изображений.
В наше время на смену аналоговым приходят цифровые медицинские
изображения. Перевод в цифровую форму (изначально их получения или позже) облегчает
обработку изображений, хранения и передачи медицинских визуальных данных. Эти
возможности значительно расширились с появлением АРМ с большим о ем м памяти для
хранения данных и достаточной вычислительной мощностью.
Информационные технологии могут помочь на всех этапах получения и обработки
медицинских изображений. Компьютеры непосредственно принимают участие в создании
некоторых типов изображений, которые не могут быть получены другим способом:
компьютерная томография, позитронная эмиссионная томография (ПЭТ), ядерный магнитный
резонанс.
Цифровая обработка изображения может использоваться с целью:
улучшение качества изображения, компенсации дефектов системы,
регистрирующей и уменьшения шума;
расчета клинически важных количественных параметров (расстояния, площади,
о объема и т.д.);
облегчения интерпретации (распознавание структуры, вычисления дозы
лучевой терапии);
установление
обратной
связи
(автоматизированные
хирургические
вмешательства).
Сжатия изображений уменьшает об объем памяти для хранения данных и время для
их передачи.
Хранение переведенных в цифровую форму изображений на жестких магнитных
дисках или CD упрощают организацию архивов и доступ к ним.
Передача переведенных в цифровую форму изображений между лечебными
учреждениями позволяет нескольким экспертам быстро консультироваться для принятия
диагностических или терапевтических решений и улучшает контроль за лечением пациента
(телерадиологии, телепатология).
Основные принципы обработки изображений.
Обработка и анализ изображений - это пошаговая процедура, зависит от результатов
предыдущего этапа, а также знаний и опыта оператора.
Фаза предварительной обработки улучшает качество изображения, а фаза сегментации
выделяет элементы, его составляющие, в конечном итоге улучшает качество и точность
диагностики.
Предварительная обработка.
Фаза предварительной обработки устраняет отклонения, связанные с системой
генерации изображения, и уменьшает шумы. Методы, используемые, обрабатывают с
помощью специальных программ цифровые данные и таким образом улучшают видимость
некоторых анатомических структур.
Изменение контрастности изображения.
Расчет гистограммы изображения создает представление количества пикселей для
каждого уровня серого в изображении.
Анализ гистограммы делает очевидным распределение серых уровней в изображении
и помогает судить о качестве оцифровки. Если гистограмма имеет нелинейный
распределение, то многие детали будут потеряны. Операции по выравниванию гистограммы
улучшают контрастность и, соответственно, отображение деталей.
Сегментация.
Эта фаза обработки изображения изолирует отдельные элементы изображения (органы,
клетки и т.д.). Метод основан на идентификации одинаковых писелив с допустимым уровнем
погрешности. Сравнением двух разных по времени сегментированных изображений
обнаруживают динамику.
Расчет параметров.
Расчет линейных и объемных параметров анатомических образований.
Интерпретация изображений.
Автоматическая компьютерная интерпретация пока еще остается проблемой. Для ее
качественного выполнения нужна база знаний по сравнительной и патологической
анатомии. Полученные структуры и параметры должны быть сопоставимы с известными
структурами и классифицированы. Должны использоваться и другие методы получения
клинических и биологических данных для автоматической диагностики, еще недостижимо в
наше время.
Современные тенде нции обработки изображений
Современные тенденции в медицинском изображении включают двумерную и
трехмерную медицинскую обработку изображений с помощью компьютера.
Другим аспектом действий является создание баз данных медицинских
изображений. одной с таких баз является "visible
human
project"
(www.nlm.nih.gov/research/visible/visible_human.html.). Цель этого проекта - обеспечить
наборы данных для использования в изучении анатомии; для использования в проведении
исследований; для использования в образовательных, исследовательских проектах.
Конструкция цифровых анатомических атласов и других наборов визуальных
справочных данных требует усовершенствования лучевых методик исследования.
Обработка двумерных и трехмерных медицинских изображений .
Обработка двумерных медицинских изображений
Рассмотрим наиболее типичные примеры использования вычислительных систем:
комп €томографию, ультразвуковую диагностику и комп €Компьютерная фиброскопию.
Томографический метод находит все более широкое применение в медицинской
практике в связи с тем, что в последние десятилетия появляются все новые и новые методы
регистрации состояния внутренних тканей организма. Наверное, методы ядерного магнитного
резонанса ЯМР-томография, электрического парамагнитного резонанса ЭПР-спектроскопия
посту пово будут все больше вытеснять метод томографии, основанный на регистрации
степени поглощения тканей рентгеновскими лучами.
Очевидно, что сферы медицины, связанные с остеологические проблемами, еще долго
будут использовать рентгеновское излучение как один из основных диагностических
подходов.
Принцип томографии (рис. 2 ) основан на послойной регистрации большого количества лучей,
посланных излучателем (1) через исследуемый орган (3) в сторону регистратора излучения (2).
Рис. 2. Комп €томография
На рисунке условно разделены две пары излучатель-регистратор, расположенные в
горизонтальной (А) и вертикальной (В) плоскостях.
При прохождении через ткань исследуемого органа, лучи неравномерно поглощаются
во всех его участках.
Предположим, что внутри органа (3) является патологический очаг (4). Тогда профили
поглощения лучей, прошедших через орган, будут иметь вид, представленный на схеме
справа.
Низкая интенсивность соответствует расположению патологического очага. Наличие
двух профилей позволяет точно указать расположение ячейки в структуре органа.
Этап разработки и графического синтеза осуществляется с помощью вычислительных
систем, потому что в этом случае обрабатываются огромные массивы цифровой информации.
Принцип работы установок для ультразвуковой диагностики (рис. 3 ) во многом
аналогичен описанному выше. С той разницей, что речь идет, во-первых, о механические
колебания ультразвукового диапазона, а во-вторых, этот сигнал не проходит через орган, а
отражается от него.
Рис. 3. Ультразвуковая диагностика
Обработка трехмерных медицинских изображений
Метод фиброскопичного исследования применяется для анализа состояния полых
органов (в основном, частей системы пищеварения). Наибольшее распространение
компьютерная фиброскопия приобрела в Японии - стране, эндемичной по раком желудка, что
связано с образом жизни и типом питания японцев.
Вычислительная система фиброскопии (рис.4) состоит из типового фиброскопа (жгута
оптических волокон), через который можно рассмотреть, сфотографировать или снять видео
состояния слизистой оболочки желудка.
В классическом подходе изображение какого-то дефекта, например, изображение язвы
слизистой трансформируется в словесный вывод, что, естественно, может иметь
субъективный характер, то есть зависит от квалификации врача, его физического состояния и
др.
Рис . 1 . Комп €Компьютерная фиброскопия
Применение компьютера для обработки графики принципиально не может полностью
решить проблему ультразвуковой диагностики, то есть постановки окончательного диагноза.
Однако компьютер незаменим при обследовании больших контингентов больных, в
частности, при проведении профилактических осмотров.
Компьютерная диагностическая система позволяет сделать предварительный вывод, то
есть отобрать из общей большого количества обследованных пациентов тех, для которых
далее необходимо более тщательное обследование высо-ковалификованим врачомдиагностом.
Такой подход дает существенную экономию времени и освобождает от рутинной
работы специалистов высокой квалификации.
5. Материалы для самоконтроля
● Понятие медицинского изображения.
● Средства получения медицинских изображений.
● Обработка медицинских изображений.
● Двух- и трехмерные изображения.
● Современные тенденции обработки изображений.
6. Рекомендуемая литература
Основные источники .
1.
Булах И. Е., Лях Ю. Е., Марценюк В.П., Хаимзон И. Медицинская
информатика. Учебник для студентов ВМ (Ф) НЗ III-IV аккредитации Тернополь: Укрмедкнига, 2008. - 308 с.
2.
Герасевича В.А. Компьютер для врача. Самоучитель. - Второй изд.,
Перераб. и доп. - СПб .: БХВ-Петербург, 2004. с.411-414.
Web - сайты
1. www . xnview . com ( XnWiew аналог ACDSee )
2. www . phtodex . com (сайт корпорации Photodex , производителя программ для
просмотра медицинских изображений)
3. www . irfanview . Com (программа для просмотра медицинских изображений)
4. www. encomate . com. tw / dicom /
(Стандарт ACR - NEMA «Ци фровые
Изображения и Связь в медицине» )
