CC BY
24В ПОМОЩЬ ПРАКТИКУЮЩЕМУ ВРАЧУ
GUIDELINES FOR THE PRACTITIONER
Цифровые технологии при работе
с медицинскими изображениями
Гаврилов А. В., Архипов И. В., Куликов И. В., Ятченко А. М.
НИИ ядерной физики МГУ им. М. В. Ломоносова
Digital technologies while working with medical images
Gavrilov A. V., Arkhipov I. V., Kulikov I. V., Yatchenko A. M.
Medical Computer Systems Laboratory, Research Institute of Nuclear Physics, M.V. Lomonosov Moscow State University
Повышение качества диагностики было и остается первоочередной задачей медицины и во многом определяет результат лечения. На современном этапе более 70% объективной диагностической информации врач получает при использовании медицинских изображений. Поэтому все большее применение находят такие источники изображений как компьютерные рентгеновские, магнитно-резонансные, по-зитронно-эмиссионные и одно-фотонные эмиссионные томографы, приборы радиоизотопоной диагностики, ультразвуковые диагностические приборы, рентгеновские аппараты и ангиогра-фические приборы, эндоскопы, микроскопы, построенные на разных принципах получения изображений. Эти приборы позволяют получать высококачественную цифровую информацию об исследуемых органах и структурах тела человека. Регистрация получаемых данных, их обработка и архивирование позволяют создавать базы данных по различным заболеваниям, прослеживать динамику результатов лечения, анализировать клинические случаи и проводить консультации специалистов в режиме «реального» времени. Обеспе-
чение современными компьютерными средствами просмотра и анализа двумерных (2Э), трехмерных (ЭЭ) и динамических трехмерных (ЭЭ+Т) изображений, получаемых от разных приборов и снабженных необходимой числовой информацией других объективных методов исследований (функциональная диагностика, лабораторные исследования) открывает новые возможности диагностики.
В современном медучреждении медперсоналу приходится принимать решения по диагностике и лечению больных во все возрастающих объемах данных. Развитие медицинской аппаратуры, позволяющей получать диагностические изображения в цифровом виде, а также стремительное развитие средств вычислительной техники, математических методов и информационных технологий приходит на помощь врачам-диагностам в автоматизации их работы, анализе информации, повышении качества и оперативности лечебно-диагностического процесса.
В мире уже сложилась определенное понимание важности правильной организации работы с медицинскими изображениями. Созданы и продолжают раз-
виваться и совершенствоваться информационные системы, обеспечивающие регистрацию с выходов приборов лучевой диагностики радиологических изображений и их архивирование. Такие системы позволяют оперативно производить обработку, анализ изображений и документирование результатов обследований. Это так называемые PACS/RIS (Picture Archiving and Communication System / Radiology Information System) системы и входящие в их состав рабочие станции, которые обеспечивают работу всех сотрудников службы лучевой диагностики медицинских учреждений в целом и/или отдельных кабинетов и подразделений при профилактических и диагностических обследованиях, проведении углубленных и научных исследований, планировании хирургических вмешательств и пр. (рис. 1).
PACS/RIS применяются для автоматизации работы медперсонала при:
- рентгеновских, флюорографических, маммографических исследованиях,
- ангиографических диагностических исследованиях и во время проведения операционных вмешательств,
- компьютерной и магнитно-резонансной томографии,
- ультразвуковых и эндоскопических исследованиях,
- радиоизотопных исследованиях,
- микроскопических исследованиях.
РАСБ/ШБ являются специализированными информационными системами, которые на основе вычислительной сети, сервера базы данных и средств архивирования, объединяют в единую систему все регистрирующие изображения приборы, имеющиеся в медучреждении, оборудование для документирования результатов обследований, рабочие станции, предназначенные для работы с изображениями, ввода и последующего доступа к диагностической радиологической информации с рабочих мест сотрудников службы лучевой диагностики, лечащих врачей и хирургов. РАСБ/ШБ обеспечивает работу регистратуры службы лучевой диагностики, работу руководителя, врачей -лучевых диагностов, обеспечива-
ной радиографии (Computer Radiography) - устройства считывания и оцифровки рентгенограмм экспонированных на фосфорные пластины.
Вторая задача - визуализация изображений на рабочих станциях врачей - лучевых диагностов. Для удобства работы с изображениями рабочие станции чаще всего комплектуются 2-мя мониторами - один для работы с изображениями, другой для работы с текстовой информацией и окном базы данных. Обычно это хорошие компьютерные мониторы. Однако все большее значение в поставках придается специальным рентгеновским мониторам, например фирм Barko, WIDE, NEC. Специализированные мониторы отличает высокое разрешение (3-5 и более мегапикселов), высокая яркость и контрастность, 10 бит для представления пикселов изображения, широкий угол наблюдения -170°, возможность портретного или поперечного положения экрана.
На рабочих станциях обеспечиваются следующие воз-
Рис. 1. PACS/RIS в современной клинике.
ет возможность просмотра медицинских изображений лечащими врачами.
Первой задачей PACS/RIS является ввод, получаемых в процессе обследований пациентов медицинских изображений. Имеющиеся в медучреждениях приборы обеспечивают следующие возможности по подключению в PACS/RIS:
1. Приборы, обменивающиеся информацией по стандарту DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) для обеспечения цифровой передачи данных.
2. Приборы, имеющие видеовыход (рентген, в режиме рентгеноскопии, ультразвуковые диагностические приборы, эндоскопы, микроскопы). Для таких приборов оцифровка изображений производится с помощью видеопроцессоров, устанавливаемых в системные блоки рабочих станций.
3. Рентгеновские аппараты, не имеющие интерфейса для связи. Для их включения в PACS/RIS используют системы компьютер-
можности по визуализации и по выполнению основных действий с изображениями:
- представление изображений на экранах мониторов, в общепринятой для данной модальности форме (например, специальные раскладки изображений для рентгенографии, рентгеноскопии, маммографии, ангиографии, рентгеновской и магнитно-резонансной томографии) и развитыми средствами пользовательского интерфейса для работы с 2В/ЭО-изображениями;
- возможность видеть изображения, полученные при текущем исследовании пациента, сравнивать их с изображениями, полученными при ранее проведенных исследованиях, вызывая их из базы данных;
- одновременный многооконный просмотр на экранах мониторов изображений, полученных на разных диагностических приборах (модальностях), что позволяет учитывать при постановке диагноза разную по физической природе информацию;
- управление яркостью/контрастностью изображений;
- измерение геометрических и яркостных параметров изображений с учетом специальных, характеристик свойственных различным модальностям (для изображений, полученных в стандарте Э1СОМ - для КТ - плотность по шкале Хаунсфилда, параметры релаксации для МР-изображений и пр.);
- нанесение всевозможных меток, надписей и пр. для удобного описания изображений в текстовых протоколах;
- математическая обработка изображений (фильтрация: подавление шумов, контрастирование, выделение границ объектов, сложение и вычитание изображений и серий изображений, действия с маской (например, субтракция для ангиографии) и пр.;
- статистические измерения, включающие построение графиков профиля и гистограммы интенсивности, вычисления сред-
данных - время доступа к базе данных для записи/чтения изображений, включая время обновления изображений на экране. Так время загрузки на рабочую станцию изображений размером 1024*1024*16 бит с рентгеновского прибора или по сети из базы данных должно быть не более Э.5 с, время загрузки изображения размером 512*512*16 бит (например, изображения рентгеновского компьютерного томографа) должно быть не более 1 с.
РАСБ/ШБ работают в медицинских учреждениях разного профиля и уровня от городских и ведомственных поликлиник и больниц до специализированных научно-исследовательских институтов и центров. Хотя основными целями внедрения РАСБ/ШБ является повышение качества и снижение себестоимости обслуживания пациентов службой лучевой диагностики медучреждения, в то же время следует отметить существенно разные требования, предъявляемые медучреждениями к РАСБ/ШБ. Медучреждения, работающие с потоками пациентов, в основном, заинтересованы в первую очередь в обеспечении высокой пропускной способности потоков пациентов на диагностическом оборудовании и необходимостью повышения производительности труда медицинского персонала. А это, в свою очередь, требует некоторого изменения принятой организации и технологии работы службы лучевой диагностики. Недостаточная адаптация РАСБ/ШБ к работе медучреждения может снижать производительность труда на ~ 15-20%, т.к. заставляет врачей заниматься несвойственной им, излишней работой на компьютерах. Для научных же центров необходимо обеспечение углубленного, исследовательского подхода к оценке состояния больного, что требует разработки новых методов работы с изображениями и обеспечения работы с развитыми и структурированными протоколами обследований.
ней интенсивности, дисперсии и других характеристик в зонах интереса;
- измерение физиологических параметров, таких как перфузия тканей, степень стенози-рования сосудов, параметров работы сердца при ангиографи-ческих и УЗ-эхокардиографичес-ких, КТ и МРТ исследованиях и т.п.;
- запись изображений и программы просмотра на CD/DVD диски.
Третья задача - архивирование изображений. Система хранения графической информации должна обеспечивать оперативный доступ ко всем данным, накопленным в течение жизни PACS/RIS. В настоящее время нет единого технического решения и оно зависит от финансовых возможностей медицинского учреждения. В систему обычно включаются оперативный архив на массивах накопителей на жестких дисках и автоматизированная библиотека DVD-дисков или лент.
Изображения в PACS/RIS обычно хранятся вне базы данных, на файловой системе, для обеспечения удобного и надежного резервного копирования больших объемов данных. После истечения заданного срока хранения изображений в исходном состоянии для перемещения данных в структуре иерархической системы хранения осуществляется автоматическая переупаковка изображений с большей степенью сжатия.
Для обеспечения надежного хранения информации в PACS/RIS должно производиться ежедневное резервное копирование базы данных и изображений. Наиболее часто для этого используют системы хранения на магнитных лентах (емкостью обычно до 400 ГБ). Операции резервного копирования и восстановления выполняются системными средствами СУБД.
Важной характеристикой работы PACS/RIS является ее быстродействие при работе с базой
Рис. 2. Протоколы по диагностическим исследованиям.
Внедрение в практику работы РАСБ/ШБ систем изменяет всю организацию и технологию проведения диагностических обследований. При автоматизации работы службы лучевой диагностики цифровые технологии обеспечиваются:
1. Автоматизация планирования работы службы лучевой диагностики и регистрации пациентов (составление расписания работы врачей и приема пациентов, запись пациентов на обследования; заполнение направительной на обследование информации и пр.).
2. Автоматизация работы рентгенолаборантов в кабинетах при приеме пациентов и регистрации изображений.
3. Автоматизация работы врачей - специалистов по лучевой диагностике при обработке и анализе изображений, составлении протоколов по обследованиям, получении твердых копий на бумаге и на пленке, составлении отчетных документов (составлении описаний обследований с заполнением из справочников информации об области исследования, названии иссле-
дования в соответствии с модальностью, типа контраста, учета лучевой нагрузки на пациента, учета выполненных услуг, учета расходных материалов и т.д.). Для повышения удобства и оперативности работы в PACS/RIS встроены шаблоны протоколов по обследованиям в соответствии с видами исследований. Шаблоны обеспечивают возможность редактирования текста в процессе составления протокола и включение в текст необходимых изображений.
Несмотря на то, что PACS/RIS обеспечивает беспленочную технологию работы службы лучевой диагностики, при необходимости система позволяет полностью обеспечить процесс формирования и печати пленки на DICOM принтере.
4. Обеспечение лечащим врачам (урологам, нефрологам, хирургам и пр., кому по роду деятельности необходимо видеть изображения) оперативный доступ к диагностической информации, включая изображения непосредственно со своих рабочих станций.
5. Ведение архива результатов обследований, включая изображения и оперативный поиск в архиве данных пациентов по различным признакам (по демографическим данным пациентов, датам обследований, названиям диагнозов, и пр.).
6. Автоматизированное составление выходных документов, подготавливаемых в виде статистических отчетов (сведения об осложнениях, использовании контраста, верификации диагноза и пр.) и отчетов страховой медицины (выполненные услуги при обследовании пациента) за любой период работы службы лучевой диагностики.
7. Обеспечение информацией телеконсультаций и телеконференций врачей для передачи полномасштабных изображений.
В РАСБ/ШБ обеспечивается возможность доступа к базе данных с рабочих станций, расположенных на большом расстоянии от медучреждения (через Интернет). Этим средством может воспользоваться, например, заведующий отделением, находящийся в командировке, и оказать
Рис. 3. Обработка изображений пирамидальным алгоритмом, комбинирующим разложение на частотные компоненты с последующей модуляцией их амплитуд, обеспечивает контрастирование деталей, снижение шума.
консультацию своим сотрудникам или просто проконтролировать качество их работы.
Для обеспечения настройки информационной среды по требованиям медицинского учреждения в РАСБ/ШБ предусмотрены широкий спектр справочников, редактор справочников, дизайнер для составления шаблонов протоколов, редактор статистических отчетов по базе данных о работе отделения, редактор запросов к базе данных.
Обработка, анализ
и мультимодальное представление изображений
Возможности использования медицинских изображений для диагностики далеко не исчерпываются их визуальным анализом. Использование компьютерных методов, реализованных в рабочих станциях по обработке, анализу и визуализации медицинских изображений направлено на объективизацию исследований и помощь врачу-клиницисту в понимании исследуемых структур.
Работа в течение длительного времени с разными медучреждениями и коллективами врачей потребовала от нас создания целого комплекса методов обработки 2Э- и ЭЭ-изображений. Причем практика показала, что обработка изображений используется врачами как при обычной, рутинной работе, так и при проведении научных исследований.
Во многих клиниках, где наши рабочие станции работают при обслуживании потока пациентов, применяется обработка по контрастированию интересующих врача структур (деталей) на изображениях с помощью таблиц преобразования цвета ^иТ'ов). Для удобства работы, чтобы не тратить время врачей на подбор и установку соответствующих преобразований изображения исследуемых областей тела пациента (например, легкие, пазухи носа, кости и пр.) разработаны соответствующие справочники, которые позволяют сразу выполнить требуемое преобразование яркости исходного изображения и обеспечить его более информативную визуализацию.
Для некоторых изображений обработка позволяет визуализировать некоторые детали, просматриваемые на исходном изображении весьма смутно. Для этого используют соответствующие алгоритмы фильтрации. На рис. Э показан результат применения такого фильтра к изображению костной ткани, что обеспечивает более контрастное представление деталей, а также снижение шума на изображении, и в конечном итоге улучшает видимость тонких параметров ткани по всему изображению.
Для некоторых изображений обработка дает возможность визуализировать всю диагностическую информацию на одном изоб-
ражении. Так, например, для компьютерно-томографических изображений легких обеспечивается наложение изображений получаемых при разных таблицах перекодировки цвета, что дает возможность одновременно показывать структурные детали и узелковые утолщения легких.
Однако, как показала практика, к обработке изображений для последующей диагностики надо относиться очень осторожно, так как обработанное изображение теряет свой привычный вид.
В практику работы радиологов все больше входит использование ЭЭ-изображений, позволяющих наглядно представлять сложные по форме анатомические образования, а также пространственное взаиморасположение исследуемых органов и структур с отображением количественной оценки их функциональных состояний. Построение ЭЭ-изображений производится в памяти компьютера рабочей станции следующим образом. Зарегистрированная в процессе обследования серия пространственных изображений (срезов) какой-либо области тела пациента содержит геометрические координаты этих изображений, что позволяет интерполяционными методами построить (синтезировать) трехмерный массив данных (ЭЭ - серошкальное изображение). В настоящее время разработано достаточно большое количество методов псевдореалистичной визуализации этих изображений, позволяющих оперативно показывать особенности структур.
Следующим этапом обработки является сегментация ЭЭ -серошкального изображения, которая состоит в выделении определенных областей по однородности каких-либо их характеристик и построения поверхностей этих областей. Для обеспечения наиболее наглядного представления сегментированных объектов (органов, структур, сосудов и пр.) и собственно серошкального ЭЭ-массива на экране рабочей
Рис. 4. Разметка бассейнов сосудов печени по ЭЭ-компьютерно-томографическим изображениям.
станции используется широкий комплекс средств компьютерной графики. Такое сегментированное ЭЭ-изображение по сути является анатомической моделью исследуемой области. Анатомическая модель позволяет представлять форму объектов интереса, их локализацию и пространственные взаимоотношения, выделенные нормальные и аномальные области. Указанные методы обработки и сегментации ЭЭ-изображений позволяют объективизировать радиологические исследования и обеспечивают реалистическую визуализацию внутренних структур и органов человека. Обеспечение режима виртуальной реальности или «эндоскопического» перемещения по радиологическим изображениям полых органов позволяет «путешествовать» по исследуемым объемным структурам. Кроме получения наглядного представления, сегментация обеспечивает точное измерение объемов сложных по форме объектов. Данное представление уже понятно не только радиологам, но и врачам других специальностей.
С целью поддержки научных исследований по созданию новых методов диагностики и лечения, проводимых медицинскими учреждениями, где работает созданная нами РАСБ/ШБ, нами постоянно разрабатываются и совершенствуются специализированные программные модули для обработки и анализа
2В/ЭЭ-изображений. Примерами таких работ проводимых нашим коллективом являются следующие разработки:
- измерение смещений и поворотов позвонков до и после операции коррекции при сколиозе по ЭЭ КТ-сегментированным изображениям позвоночника;
- определение объемов полостей, образующихся в костной ткани позвонков для определения объема вводимого в полость через иглу жидкого костного цемента при операциях чрезкож-ной вертебропластики;
- исследование степени выраженности остеопороза на основе сегментации контуров трабекул по ЭЭ МР-изображениям кости, построение ЭЭ-массива сегментированных трабекул и вычисление объемов, занимаемые трабе-кулами и мозговым веществом;
- ЭЭ-визуализация стенози-рующего субстрата при облите-рирующих поражениях артерий при внутрисосудистых УЗ-ис-следованиях и многие другие.
Одно из новых направлений по использованию современных информационных технологий, проводимое в РНЦХ РАМН - это работы по созданию метода виртуальной хирургии, т.е. определению на персонализированной компьютерной анатомической модели пациента областей паренхимы печени, снабжаемых определенными сосудами. На рис. 4 показан результат сегментации сосудистого дерева печени по ЭЭ-серошкальному компьютерно-томографическому изображе-
нию. На рис. 4а представлен результат сегментации полного сосудистого дерева печени. На рис. 4б цветом выделены отдельные сосуды, входящие в состав сосудистого дерева и на рис. 4е показаны области паренхимы печени, закрашенные теми же цветами, что и омывающие их выделенные сосуды. Границы между областями показывают наименьшую плотность сосудов и являются местами преимущественного разреза во время операции.
Одно из новых направлений -обеспечение 2В/ЭЭ наложений изображений, полученных у одного пациента при исследованиях выполненных на разных по физическим методам регистрации изображений модальностях. Данный подход, например, совмещая ЭЭ компьютерно-томографические и ЭЭ магнитно-резонансные изображения или ЭБ компьютерно-томографические и ЭЭ-изображения, полученные на однофотонном эмиссионном томографе, позволяет совместно визуализировать анатомические и функциональные изображения.
Новые диагностические результаты дает применение рабочих станций для обработки динамических изображениями сердца, получаемых при ультразвуковых эхокардиографических исследованиях. Разработанный нами метод измерения движений тканей миокарда позволяет прослеживать движения фрагментов сердечной мышцы, определять векторы смещений, скоростей и ускорений тканей и по ним
рассчитывать деформации тканей сердечной мышцы во время ее работы.
Следующей важнейшей задачей современной информационной системы для лучевой диагностики является обеспечение пользователей мощными средствами работы с базой данных, позволяющими производить оперативный, интеллектуальный поиск информации. Предметом поиска могут быть ответы на такие вопросы, как: показать все исследования данного больного, где встречается описание, например, перегородки сердца и митрального клапана, или требование найти больного, похожего на данного, т.е. больного, у которого какие-либо характеристики изображений близки по определенным критериям. Для решения такого рода задач требуется создание в памяти компьютера информационной семантической сети, узлами которой являются, например, анатомические сущности, которые имеют характеристики (атрибуты) их состояний. В сети устанавливаются взаимосвязи сущностей. Связи содержат такие отношения сущностей, как часть-целое, включение, смежность и пр. Такая сеть, по сути, представляет базу знаний информационной системы. В семантическую сеть могут быть включены сущности отражающие знания по физиологии, биомеханике, повреждениям тканей и пр. Для работы в этой среде создаются специализированные структурированные протоколы обследований, в которых описываемые сущности являются включенными в текст протоколов, как объекты, а их характеристики выбираются из справочников и/или задаются как числовые величины. Такое построение системы позволяет проводить систематизацию
и накапливание результатов исследований для последующей обработки и анализа.
Современные РАСБ/ШБ и входящие в их состав рабочие станции позволяют проводить регистрацию, архивирование, обработку и последующий комплексный ретроспективный анализ мультимо-дальных данных пациентов, что дает более полное представление о патологических образованиях, позволяют прогнозировать изменения.
Включение РАСБ/ШБ в работу медицинского учреждения позволяет повысить качество и снизить себестоимость обслуживания пациентов.
Повышение качества достигается за счет:
- более качественного, технологичного и информационного представления диагностических изображений на рабочих станциях для обеспечения их анализа врачами при составлении протоколов обследований пациентов (удобный интерфейс для работы с изображениями, два и более мониторов для визуализации);
- обеспечения визуализации на экране рабочей станции диагностических изображений, полученных при обследованиях пациентов на различных регистрирующих приборах для комплексного (мультимодального) анализа изображений;
- обеспечения ретроспективного анализа состояния пациентов за счет оперативного получения из базы данных изображений его более ранних обследований для сравнительного анализа;
- повышение четкости в описании диагноза и результатов обследований за счет формализованного описания.
Снижение себестоимости достигается за счет:
- повышения производительность труда медицинского персонала за счет формализации обследований, технологичной организации ведения автоматизированного документооборота, оперативного доступа к данным, снижения времени на рутинную работу по ведению учетной и отчетной документации;
- повышения наблюдаемости (контролируемости) работы службы лучевой диагностики для принятия решений по административному управлению за счет получения статистических отчетов и ответов на запросы к базе данных по разным срезам работы;
- снижения затрат на дорогостоящие расходные материалы (внедрение беспленочной технологии работы службы лучевой диагностики и/или значительного снижения использования пленок, бумаги для термопринтеров и других расходных материалов);
- значительной экономии рабочего времени за счет отказа от работы с пленками.
Повышение профессионального уровня медперсонала достигается за счет возможности обучения при разборе клинических случаев при использовании мультимедийных средств представления результатов на основе накапливаемой базы данных.
Разработанный нами и постоянно совершенствуемый Комплекс аппаратно программный «Гамма Мультивокс», с входящими в его состав мультимодальны-ми рабочими станциями серии «Гамма Мультивокс» для работы с 2В/3Э изображениями как раз и предназначен для решения указанных выше задач, возникающих в повседневной практической работе и научных исследованиях.
Поступила 27.07.2010
