Содержание к диссертации
Введение
1 Модели наблюдения в радионуклидных исследованиях 15
1.1 Процесс распределения РФП 17
1.1.1 Транспорт РФП 18
1.1.2 Параметризация функции распределения РФП 19
1.1.3 Пуассоновский шум 22
1.2 Модели наблюдения статических процессов 23
1.2.1 Многоракурсный сбор 23
1.2.2 Послойное проецирование 24
1.2.3 Объёмное проецирование 27
1.2.4 Ослабление излучения 28
1.3 Обобщённая модель наблюдения динамических процессов . 30
1.3.1 Радиоактивный распад 31
1.3.2 Исследования циклических процессов 32
1.3.3 Моделирование режимов работы гамма-томографа . 33
2 Принципы обработки данных радионуклидных исследований 40
2.1 Методы обработки проекционных данных в планарных топо графических исследованиях 42
2.1.1 Визуализация планарных изображений 42
2.1.2 Подавление шумов 46
2.1.3 Выделение объектов 48
2.2 Обработка динамических изображений 49
2.2.1 Методы построения динамических кривых 50
2.2.2 Методы анализа динамических кривых 51
2.3 Обработка томографических изображений 52
2.3.1 Томографическая реконструкция 52
2.3.2 Визуализация реконструированных объёмов 53
2.4 Обработка результатов исследований с синхронизацией 56
2.4.1 Обработка результатов планарных исследований 57
2.4.2 Обработка результатов томографических исследований . 62
3 Программный комплекс для моделирования процессов сбора данных и обработки 65
3.1 Архитектура программного комплекса 66
3.1.1 Уровень доступа к данным 66
3.1.2 Программа оболочка 67
3.1.3 Клинические диагностические программы 68
3.1.4 Библиотека математической обработки 68
3.1.5 Система работы с отчётами 70
3.2 Программа моделирования процесса сбора 71
3.3 Технология разработки программ обработки 73
3.3.1 Технология модель-вид 73
3.3.2 Шаблоны взаимодействия объектов 75
3.3.3 Процесс разработки клинической программы 79
4 Специализированные программы обработки 83
4.1 Программы вычисления физиологических показателей функции почек 83
4.1.1 Динамическая сцинтиграфия почек 84
4.1.2 Вычисление скорости клубочковой фильтрации и эффективного почечного плазмотока 86
4.2 Универсальная программа обработки результатов динамических исследований 88
4.2.1 Операции с изображениями 88
4.2.2 Выделение областей 90
4.2.3 Работа с динамическими кривыми 92
4.3 Программа реконструкции и реориентации 93
Заключение 98
Литература 99
- Модели наблюдения статических процессов
- Обобщённая модель наблюдения динамических процессов
- Обработка результатов исследований с синхронизацией
- Программа моделирования процесса сбора
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке математических моделей процесса сбора данных в радионуклидной диагностике, получаемых с помощью гамма-томографа, и алгоритмов численной обработки, направленных на выделение диагностической информации из проекционных данных.
Радионуклидная диагностика (РНД) — это самостоятельный раздел лучевой диагностики и радиологии в частности. Радионуклидная диагностика предназначена для распознавания патологических процессов в органах и тканях с помощью радиоактивных атомов или молекул их содержащих.
РНД прочно заняла своё место среди других методов медицинской интроскопии, таких как рентген, КТ, МРТ, УЗИ. Отличие методов РНД заключается в том, что получаемая информация является функциональной, а-не морфологической, анатомо-топографической. Иными словами, говорит об отклонениях функции органов от нормы, проявляющихся зачастую раньше, нежели анатомические изменения.
Особенность любых методов РНД состоит в способности щадящим для больного образом, после введения в организм микроколичеств определённых веществ, меченых радионуклидами — (радиофармацевтических препаратов — РФП), путём наружной радиометрии изучать динамику физиологических процессов, обмен веществ, кровообращение, функциональное состояние различных органов и систем человека при целом ряде заболеваний.
Введённые в организм человека малые количества РФП, не нарушают физиологических процессов, не дают побочных эффектов и, избирательно накапливаясь в различных органах, тканях, опухолевых клетках, обуславливают большую специфичность и чувствительность радионуклидных методов в диагностике многих заболеваний.
Методы ядерной медицины используются в 50 странах мира. Лидирующие позиции занимают США, Канада, Австралия, Англия, Бельгия, Голландия,
Германия, Франция, ЮАР и Япония, которые имеют крупные радиофармацевтические фирмы, оборудованные на современном уровне диагностические лаборатории и высококвалифицированные штаты специалистов.
Первое место в развитии ядерной медицины, как в области диагностики, так и терапии принадлежит США. В США более 12000 гамма-камер (в России менее 200, причём устаревших). По данным 1999 года в США насчитывалось около 300 позитронных томографов (ПЭТ), но уже в 2001 году в США было закуплено 267 новых ПЭТ (в России 3 действующих) [35].
В нашей стране гамма-томограф ещё не стал неотъемлемой частью медицинского оборудования для обследования населения. Это объясняется дороговизной технического обслуживания закупленного импортного оборудования и отсутствием отечественных гамма-камер и томографов. Поэтому естественно возникают задачи создания отечественных гамма-томографов нового поколения, удовлетворяющих требованиям современной медицины и использующих для этого последние достижения науки, техники и компьютерных технологий.
В рамках программы Минатома «Ядерная медицина» на базе НИИЭФА им. Д.В. Ефремова создан опытный образец цифрового гамма-томографа, предназначенного для проведения медицинских диагностических исследований, основанных на получении изображений распределения РФП, меченного гамма излучающими радионуклидами, в организме пациента [1,37]. В рамках этой же программы разработано программное обеспечение для автоматизации сбора, хранения, систематизации и обработки данных радионуклидных исследований [3,4, И, 16-19,23-26,61].
На примере гамма-томографа «ЭФАТОМ» рассмотрим процесс проведения радионуклидного исследования.
Гамма-томограф предназначен для визуализации и исследования кинетики РФП во внутренних органах и физиологических системах организма пациента с целью диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и других заболеваний человека.
Гамма-томограф состоит из следующих частей: штативно-поворотное устройство (гантри), блоки детектирования, стол для укладки обследуемого пациента (ложе пациента). Функциональная схема и внешний вид томографа представлены на рис. 1.
a)
Компьютер сбора it вычисления координат
44+- + ММ
Поїіші ІОННО
чувс твнтеяькый детектор
Коллиматор
—У * *
\!/у
Гантрн
Кардно- [_*. синхронніатор
Цен тральный
ЬАЫПЬЮХер
сбора, правлення и обработки полученных
аднны\
Ложе пациента
/Іонігтор
Коллиматор
б)
Монитор м-клалкн
Л етекті ф--тош ая головка
Ложе пациента
Гантрн
Рис. 1. Функциональная схема (а) и внешний вид томографа «ЭФАТОМ;
Штативно-поворотное устройство, обеспечивает крепление двух блоков детектирования, их перемещение и позиционирование по радиальной и угловой координатам. Ложе пациента обеспечивает фиксацию его положения в лежачем состоянии, его перемещение и позиционирование по вертикальной и горизонтальной координатам относительно блоков детектирования.
Сцинтилляционные позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД) с блоками электроники и обработки импульсов (блоки детектирования) предназначены для пространственной регистрации гамма-квантов, излучаемых РФ П. Главные элементы ПЧД — направляющий коллиматор, сцинтилляционный кристалл и фотоумножительные трубки (рис. 2).
Коллиматор представляет собой устройство из защитного материала с
yv.
yv л.
/4^
Платы АЦП
Пред уси л нтел 1І
Блок
вычисления
координат
№1
№2
№3
№4
№5
Выходное окно
ШІІШ11ІІШІІШ1ІШІІІЇІШШШІІ1Ш11Ш1І1Шк»лл„„,
атор / гамліа-квантьі
Исследуемый орган
Рис. 2. Схема ПЧД
большой атомарной массой, имеющее систему сквозных каналов. Задача коллиматора состоит в том, чтобы позволить проходить через него только тем фотонам, которые имеют направление, параллельное направлению каналов коллиматора. Гамма-кванты, проходящие через коллиматор, взаимодействуют с сцинтилляционным кристаллом. При взаимодействии с кристаллом энергия гамма-квантов преобразуется в фотоны видимого излучения, причём количество излучённых фотонов пропорционально поглощённой в сцинтилля-торе энергии гамма-кванта. Фотоны видимого света регистрируются фото-умножительными трубками. Выход каждой фотоумножительной трубки есть электрический сигнал, пропорциональный интенсивности света, поглощённого трубкой. Следовательно, электрический сигнал пропорционален расстоянию между трубкой и точкой взаимодействия фотона в сцинтилляционном кристалле. Сигналы фотоумножительных трубок затем используются для определения координат точки фотонного взаимодействия. Вычисленные координаты и временная метка импульса передаются и в дальнейшем используются для формирования изображений.
Процесс проведения радионуклидного исследования состоит из четырёх этапов (рис. 3):
Ввод первичных данных.
Сбор данных.
Обработка данных.
Генерация и просмотр отчётов по результатам исследования.
Пациент
Этап ввода первичных данных
-і..
Генерация отчета
Генерация отчетов-
Данные о пациенте
Просмотр отчетов
/
'. 4^» Сохранение на диске
обследоваше состояние!
/
Данные об органе и типе обследования
Сохранение в базе данных
;
оо следование
СОСТОЯШВ 3
/ О бр аб отка клішическ ой программой
Сбор диагноспгческіїх данных
\;
обследование состоите 2
Статическая сцинтиграфия
Протокол-статика
Протокол-динамика |
Пр отокол-томог рафия
Г*
Динамич еская сцинтиграфия
Перфушонная томографію
Остеосцинтиграфня
)
Рис. 3. Этапы проведения исследования
Ввод первичных данных представляет собой создание медицинской карточки, в которой отображается информация о пациенте, враче, медицинской организации и т.п. Также выбирается протокол сбора информации с томографа.
Протокол — это последовательность заранее определённых шагов и действий, которых придерживается врач, проводя обследование. Протокол также определяет некоторые стандартные значения информационных полей и содержит информацию о режиме функционирования томографа.
Сбор данных осуществляется программой, взаимодействующей с оборудованием томографа в соответствии с выбранным протоколом. При сборе данных параллельно происходят два процесса:
Регистрация фотонных взаимодействий. Производится блоками детектирования. В результате формируется поток данных, несущий информацию о событиях регистрации отдельных гамма-квантов (координаты, энергия, время).
Формирование изображений. Производится программой сбора, путём преобразования потока данных с детекторов в изображения.
Полученные изображения являются предметом анализа на этапе обработки с целью получения медико-диагностической информации.
В радионуклидных исследованиях функционального состояния органов и систем интерпретация результатов измерений является одним из решающих факторов, определяющих их клинико-физиологическую информативность и диагностическую эффективность. Несмотря на огромное количество методов интерпретации, до сих пор отсутствует единая методологическая основа для их разработки или выбора. Большинство исследований направлено на решение частных проблем РНД, в результате чего отсутствует универсальное математическое представление диагностической информации. Для того чтобы получить адекватную оценку состояния изучаемой физиологической функции, в качестве методологической основы интерпретации должны быть использованы требования обеспечения минимально возможной потери и искажения полезной диагностической информации и определения наиболее фундаментальных показателей исследуемых процессов [29].
В рамках РНД рассматриваются физические аспекты медицинской визуализации [10,20,28,33,38,39,83], задачи создания медицинского оборудования [1,9,12,51,73], моделирование процессов распределения РФП в организме [2,5,13,29,36,42,69,75,82]. Множество работ посвящено частным проблемам таким как деконволюционный анализ ренографических кривых [52,58,72,80], задачи томографической реконструкции [6,14,21,40,41,45,54,77,81,84], фильтрация шумов [8,27,43,53,74] и др. Решение задач РНД основано на компьютерной обработке данных исследований. Производители оборудования предоставляют пакеты программ, решающие основные (рутинные) задачи диа-
гностики. Широкое внедрение новых методов исследования таким образом затруднено из-за отсутствия стороннего расширения данных программных комплексов. Частично данная проблема решается с помощью использования стандарта DICOM [47] для обмена данными, однако возникают проблемы связанные с децентрализацией хранения информации и неоднородностью пользовательского интерфейса.
В силу вышесказанного, представляется актуальным проведение работ по созданию новых медицинских диагностических программ и программных комплексов, а также средств для их разработки. Целью данной работы является построение математических моделей процессов сбора и обработки данных радионуклидных исследований и их реализация в программном комплексе. А также создание специализированных программ обработки на основании моделирования процессов функционирования наблюдаемых систем.
Диссертация' состоит из введения, четырёх глав и заключения.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы и направление исследований, приведены краткий обзор: состояния исследований по теме работы и краткая аннотация диссертации по главам.
Первая глава посвящена моделированию процесса сбора данных с томографа. Полагается, что для получения адекватной оценки состояния физиологической функции необходимо наличие модели транспорта индикатора, построенной на конкретных физиологических предпосылках, и наличие физически корректной параметризованной модели наблюдения.
Строится математическая модель процесса перераспределения РФП в организме на основании камерных моделей и функции пространственного распределения.
Разрабатывается модель наблюдения, с учётом факторов радиоактивного распада, коллиматорной размытости, ослабления и случайной природы радиоактивного распада. Предложенная модель наблюдения обобщает модели наблюдения, рассматриваемые в работах [56,57,76].
Во второй главе представлены методы обработки проекционных данных, используемые при реализации клинических программ. Методы обработки предлагается разделять на две группы: аналитические методы и методы визуализации. К аналитическим методам относятся алгоритмы и процедуры,
главным назначением которых является преобразование данных с целью выделения диагностической информации. Визуализация включает в себя методы визуального представления информации пользователю (на экране компьютера, с помощью печатающего устройства и т.п.).
Произведён анализ широкого спектра процедур обработки данных радионуклидных исследований.Во всех рассмотренных случаях происходит преобразование исходных данных (последовательности проекционных изображений) в набор диагностических параметров, характеризующих функциональное состояние исследуемого объекта. В результате, в общем случае процесс обработки можно представить, как последовательность следующих этапов:
преобразование проекционных данных;
выделение объектов;
анализ объектов.
В зависимости от конкретного вида исследования данные этапы представляются в виде последовательности выполнения определённых методов обработки.
Предложена классификация аналитических методов обработки, используемых при решении задач радионкулидной диагностики, основанная на определении форматов входных и выходных данных. На основании данной классификации определяются программные интерфейсы объектов и методов обработки, и определена структура библиотек математической обработки программного комплекса.
Рассматриваемые методы были выбраны для решения типовых задач компьютерной обработки данных радионуклидных исследований на основании требований к адекватности, скорости выполнения и простоте реализации. В процессе классификации особое внимание уделяется соответствию математических представлений входных и выходных данных метода для построения цепочек обработки и применения рассматриваемых методов в контексте различных режимов исследований.
Также рассмотрены задачи визуализации изображений и реконструированных объёмов. Представленные методы рассматривают особенности визуализации радионуклидных изображений и объёмов при использовании средств GDI+ и DirectX.
В третьей главе представлено описание разработанного программного комплекса, предназначенного для моделирования сбора и обработки данных ра-дионуклидных исследований.
Разработана архитектура программного комплекса, представляющая собой многоуровневое объектно-ориентированное решение. При таком проектировании системы компоненты нижних уровней не зависят от компонентов верхних уровней, что обеспечивает возможность повторного использования разработанных программных объектов, а также облегчает дальнейшую поддержку, сопровождение и расширение системы.
Рассматриваются компоненты комплекса и их связи. Описывается созданная в процессе разработки комплекса библиотека математической обработки.
В главе уделяется особое внимание процессу разработки клинических программ.
Представлена разработанная автором программа моделирования процесса сбора на основании моделей, полученных в первой главе, предназначенная для генерации фантомных исследований, используемых в дальнейшем для* отладки методов и алгоритмов обработки.
Описывается созданная в процессе разработки комплекса библиотека математической обработки, содержащая в себе методы визуализации и обработки планарных изображений и объёмов, областей интереса, динамических кривых и диагностических параметров.
Для повышения эффективности процесса разработки пользовательского интерфейса предлагаются и описываются шаблоны взаимодействия объектов: «модель-вид» и динамическое связывание.
Представлен процесс разработки клинической программы в рамках комплекса на примере программы определения физиологических показателей функции почек, основанной на модели, представленной во второй главе.
Четвёртая глава посвящена разработке некоторых проблемно-ориентированных программ комплекса: универсальной программы обработки результатов динамических исследований, программ вычисления физиологических показателей при исследовании функции почек, программы обработки результатов томографических исследований.
Программы вычисления физиологических показателей функции почек предназначены для изучения раздельной и суммарной выделительной функ-
ции почек, уродинамики, анатомических особенностей и топографии почек.
"Универсальная программа обработки результатов динамических исследований является программой обработки планарных статических и динамических групп кадров. В ней предоставлен весь спектр реализованных инструментов для обработки планарных изображений, выделения областей интереса и работы с динамическими кривыми. В рамках данной программы возможно повторение процедур существующих протоколов обработки. Таким образом, можно выполнять и тестировать ещё не реализованные программно процедуры исследования. Также, данная программа позволяет производить разработку новых протоколов на базе существующего инструментария.
Программа обработки результатов томографических исследований предназначена для получения реконструкции томографических обследований и реориентации результата реконструкции. В результате работы программы обследование дополняется группами кадров, содержащих реконструированные срезы. Дальнейшая обработка полученных срезов может производиться с использованием специализированных программ.
В заключении приводятся основные результаты, выносимые на защиту.
Практическая значимость и внедрение результатов диссертационной работы. Построенная модель сбора данных радионкулидных исследований может быть использована при создании новых методов обработки, учитывающих изменение концентрации индикатора во времени.
Разработанная программа моделирования процесса сбора используется при разработке клинических программ для отладки методов обработки.
Результаты, представленные в диссертационной работе, использовались в рамках пилотного проекта №18 факультета прикладной математики — процессов управления «Медицинская физика и информационные технологии», национального проекта «Образование», инновационного проекта СПбГУ «Инновационная образовательная среда в классическом университете».
Ядро программного комплекса используется в автоматизированной системе проведения радионуклидных исследований «Диагностика», разработанной в Санкт-Петербургском государственном университете и установленной на первом отечественном цифровом гамма-томографе «ЭФАТОМ» в КБ №83 ФМБА России, г. Москва.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуж-
дались на
34-36 научных конференциях аспирантов и студентов «Процессы управления и устойчивость», Санкт-Петербург, 2003-2005.
Первой Международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование», Москва, 2005.
Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика—2005», Москва, 2005.
9th SAC Seminar on New Trends on Positron Emission Tomography. Physics, Radio chemistry, Modeling, Pharmacology and Clinical applications.
St. Petersburg, Russia,18-19 September 2006
38-40 научных конференциях аспирантов и студентов «Процессы управ
ления и устойчивость», Санкт-Петербург, 2007-2009.
Основные результаты диссертационной работы отражены в 8 публикациях, в том числе в 1 работе, опубликовнной в издании, рекомендованном ВАК.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю к.ф.-м.н., доценту Котиной Елене Дмитриевне и заведующему кафедрой ТСУЭФА д.ф.-м.н., профессору Овсянникову Дмитрию Александровичу за наставничество, руководство и помощь на всех этапах работы. Автор выражает благодарность аспирантам кафедр ТСУЭФА и ТУ, участвовавшим в создании программного комплекса, в лице Дежурнюка Дмитрия Викторовича, Джаксумбаева Андрея Ильича, Чижова Максима Николаевича, а также сотрудникам НИИЭФА им. Д.В. Ефремова Арлычеву Михаилу Анатольевичу и Новикову Виктору Львовичу.Отдельная благодарность выражается заведующей отделением радиоизотопной диагностики Клинической больницы №83 Федерального медико-биологического агентства России (г. Москва) Тузиковой Оксане Федоровне и всему рабочему коллективу больницы за помощь в проведении испытаний.
Модели наблюдения статических процессов
Радионуклидная диагностика (РНД) — это самостоятельный раздел лучевой диагностики и радиологии в частности. Радионуклидная диагностика предназначена для распознавания патологических процессов в органах и тканях с помощью радиоактивных атомов или молекул их содержащих.
РНД прочно заняла своё место среди других методов медицинской интроскопии, таких как рентген, КТ, МРТ, УЗИ. Отличие методов РНД заключается в том, что получаемая информация является функциональной, а-не морфологической, анатомо-топографической. Иными словами, говорит об отклонениях функции органов от нормы, проявляющихся зачастую раньше, нежели анатомические изменения.
Особенность любых методов РНД состоит в способности щадящим для больного образом, после введения в организм микроколичеств определённых веществ, меченых радионуклидами — (радиофармацевтических препаратов — РФП), путём наружной радиометрии изучать динамику физиологических процессов, обмен веществ, кровообращение, функциональное состояние различных органов и систем человека при целом ряде заболеваний.
Введённые в организм человека малые количества РФП, не нарушают физиологических процессов, не дают побочных эффектов и, избирательно накапливаясь в различных органах, тканях, опухолевых клетках, обуславливают большую специфичность и чувствительность радионуклидных методов в диагностике многих заболеваний.
Методы ядерной медицины используются в 50 странах мира. Лидирующие позиции занимают США, Канада, Австралия, Англия, Бельгия, Голландия, Германия, Франция, ЮАР и Япония, которые имеют крупные радиофармацевтические фирмы, оборудованные на современном уровне диагностические лаборатории и высококвалифицированные штаты специалистов.
Первое место в развитии ядерной медицины, как в области диагностики, так и терапии принадлежит США. В США более 12000 гамма-камер (в России менее 200, причём устаревших). По данным 1999 года в США насчитывалось около 300 позитронных томографов (ПЭТ), но уже в 2001 году в США было закуплено 267 новых ПЭТ (в России 3 действующих) [35].
В нашей стране гамма-томограф ещё не стал неотъемлемой частью медицинского оборудования для обследования населения. Это объясняется дороговизной технического обслуживания закупленного импортного оборудования и отсутствием отечественных гамма-камер и томографов. Поэтому естественно возникают задачи создания отечественных гамма-томографов нового поколения, удовлетворяющих требованиям современной медицины и использующих для этого последние достижения науки, техники и компьютерных технологий.
В рамках программы Минатома «Ядерная медицина» на базе НИИЭФА им. Д.В. Ефремова создан опытный образец цифрового гамма-томографа, предназначенного для проведения медицинских диагностических исследований, основанных на получении изображений распределения РФП, меченного гамма излучающими радионуклидами, в организме пациента [1,37]. В рамках этой же программы разработано программное обеспечение для автоматизации сбора, хранения, систематизации и обработки данных радионуклидных исследований [3,4, И, 16-19,23-26,61].
На примере гамма-томографа «ЭФАТОМ» рассмотрим процесс проведения радионуклидного исследования.
Гамма-томограф предназначен для визуализации и исследования кинетики РФП во внутренних органах и физиологических системах организма пациента с целью диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и других заболеваний человека.
Гамма-томограф состоит из следующих частей: штативно-поворотное устройство (гантри), блоки детектирования, стол для укладки обследуемого пациента (ложе пациента). Функциональная схема и внешний вид томографа представлены на рис. 1.
Штативно-поворотное устройство, обеспечивает крепление двух блоков детектирования, их перемещение и позиционирование по радиальной и угловой координатам. Ложе пациента обеспечивает фиксацию его положения в лежачем состоянии, его перемещение и позиционирование по вертикальной и горизонтальной координатам относительно блоков детектирования.
Сцинтилляционные позиционно-чувствительные детекторы (ПЧД) с блоками электроники и обработки импульсов (блоки детектирования) предназначены для пространственной регистрации гамма-квантов, излучаемых РФ П. Главные элементы ПЧД — направляющий коллиматор, сцинтилляционный кристалл и фотоумножительные трубки (рис. 2).
Коллиматор представляет собой устройство из защитного материала с большой атомарной массой, имеющее систему сквозных каналов. Задача коллиматора состоит в том, чтобы позволить проходить через него только тем фотонам, которые имеют направление, параллельное направлению каналов коллиматора. Гамма-кванты, проходящие через коллиматор, взаимодействуют с сцинтилляционным кристаллом. При взаимодействии с кристаллом энергия гамма-квантов преобразуется в фотоны видимого излучения, причём количество излучённых фотонов пропорционально поглощённой в сцинтилля-торе энергии гамма-кванта. Фотоны видимого света регистрируются фото-умножительными трубками. Выход каждой фотоумножительной трубки есть электрический сигнал, пропорциональный интенсивности света, поглощённого трубкой. Следовательно, электрический сигнал пропорционален расстоянию между трубкой и точкой взаимодействия фотона в сцинтилляционном кристалле. Сигналы фотоумножительных трубок затем используются для определения координат точки фотонного взаимодействия. Вычисленные координаты и временная метка импульса передаются и в дальнейшем используются для формирования изображений.
Обобщённая модель наблюдения динамических процессов
Произведён анализ широкого спектра процедур обработки данных радионуклидных исследований.Во всех рассмотренных случаях происходит преобразование исходных данных (последовательности проекционных изображений) в набор диагностических параметров, характеризующих функциональное состояние исследуемого объекта. В результате, в общем случае процесс обработки можно представить, как последовательность следующих этапов: 1) преобразование проекционных данных; 2) выделение объектов; 3) анализ объектов.
В зависимости от конкретного вида исследования данные этапы представляются в виде последовательности выполнения определённых методов обработки.
Предложена классификация аналитических методов обработки, используемых при решении задач радионкулидной диагностики, основанная на определении форматов входных и выходных данных. На основании данной классификации определяются программные интерфейсы объектов и методов обработки, и определена структура библиотек математической обработки программного комплекса.
Рассматриваемые методы были выбраны для решения типовых задач компьютерной обработки данных радионуклидных исследований на основании требований к адекватности, скорости выполнения и простоте реализации. В процессе классификации особое внимание уделяется соответствию математических представлений входных и выходных данных метода для построения цепочек обработки и применения рассматриваемых методов в контексте различных режимов исследований.
Также рассмотрены задачи визуализации изображений и реконструированных объёмов. Представленные методы рассматривают особенности визуализации радионуклидных изображений и объёмов при использовании средств GDI+ и DirectX.
В третьей главе представлено описание разработанного программного комплекса, предназначенного для моделирования сбора и обработки данных ра-дионуклидных исследований.
Разработана архитектура программного комплекса, представляющая собой многоуровневое объектно-ориентированное решение. При таком проектировании системы компоненты нижних уровней не зависят от компонентов верхних уровней, что обеспечивает возможность повторного использования разработанных программных объектов, а также облегчает дальнейшую поддержку, сопровождение и расширение системы.
Рассматриваются компоненты комплекса и их связи. Описывается созданная в процессе разработки комплекса библиотека математической обработки.
В главе уделяется особое внимание процессу разработки клинических программ.
Представлена разработанная автором программа моделирования процесса сбора на основании моделей, полученных в первой главе, предназначенная для генерации фантомных исследований, используемых в дальнейшем для отладки методов и алгоритмов обработки.
Описывается созданная в процессе разработки комплекса библиотека математической обработки, содержащая в себе методы визуализации и обработки планарных изображений и объёмов, областей интереса, динамических кривых и диагностических параметров.
Для повышения эффективности процесса разработки пользовательского интерфейса предлагаются и описываются шаблоны взаимодействия объектов: «модель-вид» и динамическое связывание.
Представлен процесс разработки клинической программы в рамках комплекса на примере программы определения физиологических показателей функции почек, основанной на модели, представленной во второй главе.
Четвёртая глава посвящена разработке некоторых проблемно-ориентированных программ комплекса: универсальной программы обработки результатов динамических исследований, программ вычисления физиологических показателей при исследовании функции почек, программы обработки результатов томографических исследований.
Программы вычисления физиологических показателей функции почек предназначены для изучения раздельной и суммарной выделительной функции почек, уродинамики, анатомических особенностей и топографии почек.
"Универсальная программа обработки результатов динамических исследований является программой обработки планарных статических и динамических групп кадров. В ней предоставлен весь спектр реализованных инструментов для обработки планарных изображений, выделения областей интереса и работы с динамическими кривыми. В рамках данной программы возможно повторение процедур существующих протоколов обработки. Таким образом, можно выполнять и тестировать ещё не реализованные программно процедуры исследования. Также, данная программа позволяет производить разработку новых протоколов на базе существующего инструментария.
Программа обработки результатов томографических исследований предназначена для получения реконструкции томографических обследований и реориентации результата реконструкции. В результате работы программы обследование дополняется группами кадров, содержащих реконструированные срезы. Дальнейшая обработка полученных срезов может производиться с использованием специализированных программ. В заключении приводятся основные результаты, выносимые на защиту.
Практическая значимость и внедрение результатов диссертационной работы. Построенная модель сбора данных радионкулидных исследований может быть использована при создании новых методов обработки, учитывающих изменение концентрации индикатора во времени.
Разработанная программа моделирования процесса сбора используется при разработке клинических программ для отладки методов обработки.
Результаты, представленные в диссертационной работе, использовались в рамках пилотного проекта №18 факультета прикладной математики — процессов управления «Медицинская физика и информационные технологии», национального проекта «Образование», инновационного проекта СПбГУ «Инновационная образовательная среда в классическом университете».
Ядро программного комплекса используется в автоматизированной системе проведения радионуклидных исследований «Диагностика», разработанной в Санкт-Петербургском государственном университете и установленной на первом отечественном цифровом гамма-томографе «ЭФАТОМ» в КБ №83 ФМБА России, г. Москва.
Обработка результатов исследований с синхронизацией
Объёмная визуализация основана на определении функции проводимости, устанавливающей соответствие между значением интенсивности в ячейке массива и парой цвет-прозрачность элемента визуального отображения. Значения функции проводимости являются элементами четырехмерного цветового пространства RGBA. Компоненты изменяются в интервале [0,1]. Первые три числа: R,G,B — характеризуют интенсивность соответственно красной, зелёной и синей компонент цвета, значение А характеризует проводимость: О — абсолютная прозрачность (т.е. невидимость), 1 — полная непрозрачность.
При визуализации происходит отображение срезов исходного объёма на наборе параллельных плоскостей, расположенных перпендикулярно оси наблюдения. Количество плоскостей влияет на качество передаваемого изображения, а так же на скорость отображения всей модели в целом. В данном представлении исходный массив является трёхмерной текстурой. Таким образом, все геометрические преобразования (поворот, сдвиг, масштабирование) сводятся к преобразованию текстурных координат вершин плоскостей при помощи вершинного шейдера (оператора, выполняющего преобразование точек текстуры на низком уровне).
Функция проводимости образует одномерную текстуру, которая используется при дальнейшей обработке при помощи пиксельного шейдера, который осуществляет преобразование значения интенсивности точки объёма в элемент цветового пространства RGBA. Интерпретация значений прозрачности происходит во время процедуры альфа-наложения.
Эффект прозрачности и просвечивания достигается путём смешивания значений цветов исходного и результирующего пикселей. В результате цвет точки является комбинацией цветов переднего и заднего плана. Рассмотрим следующие способы комбинирования цветов.
Пусть точка Vs = (Rs, Gs, Bs, As) отображается поверх точки Vd- В общем случае операция альфа-наложения записывается следующим образом:
Данное преобразование не является ассоциативным, следовательно, требует сортировки отображаемых элементов (первыми должны отображаться наиболее удалённые объекты).
Операция (2.28) ассоциативна, но требует дополнительных операций по нормализации цветовых компонент во избежание эффекта "засвет-ки"(выход промежуточных сумм вида ASRS + Rd из [0,1]).
Таким образом, используя различные способы построения функций про- водимости и операции альфа-наложения, реализуется широкий спектр типов изображений, которые могут быть использованы при диагностике.
Использование преобразования (2.28) вместе с функцией проводимости вида f(x) = (сд, с 2, сд, —--), где хтах - представление базового цвета, cR а,в - максимальное значение интенсивности в исследуемом объеме, позволяет получать томографические проекции объема на произвольную плоскость (см. рис. 2.5).
Использование альфа-наложения (2.27) позволяет визуализировать изо-счетные поверхности (рис. 2.6).
Объёмная визуализация является достаточно универсальным подходом к обработке томографических изображений, т.к. не требует никаких дополнительных предположений об объектах исследования, и совместима со всеми видами томографических исследований. В то же время подход предоставляет большую интерактивность и гибкость средств настройки отображения.
На данный момент наиболее распространёнными исследованиями в режиме сбора с синхронизацией являются исследования сердца. В данном разделе рассматриваются процедуры обработки исследований сердца в планарном режиме (равновесная вентрикулография) и в томографическом (перфузионная сцинтиграфия миокарда) .
Радиоизотопная равновесная вентрикулография сердца используется для качественной и количественной оценки состояния левого желудочка сердца, определения подвижности его стенок, определения синхронности вступления отдельных участков миокарда в сокращение. Перфузионная сцинтиграфия миокарда используется для "диагностики и дифференциальной диагностики ишемической болезни сердца, определения состояния миокарда и полости левого желудочка сердца, оценки состояния миокарда левого желудочка при некоронагенных поражениях. Так же применяется для оценки результатов лекарственного, хирургического и реабилитационного лечения [30].
Большое распространение в кардиологической практике получили фазовое и амплитудное изображения. Они основаны на анализе кривой «активность-время» одного представительного сердечного цикла, полученного в ходе сбора первичной сцинтиграфической информации. Амплитуда отражает суммарное изменение объёма крови за один сердечный цикл независимо от того, в какой момент времени наступило это изменение в данной точке. Поскольку стенка миокарда ограничивает этот объем, то, по амплитудному изображению судят о подвижности стенки миокарда в каждой точке миокарда. По фазовому изображению можно оценить синхронность вступления в сокращение различных отделов сердца (левого желудочка). Помимо того, что амплитудное и фазовое изображения позволяют получить ценную и уникальную информацию о функциональном состоянии сердца, их также применяют в процессе автоматизированного определения контуров полостей сердца. С помощью фазового изображения можно решить одну из наиболее сложных задач — найти границу между предсердиями и желудочками, кото- рой является демаркационная линия между двумя наибольшими по площади противофазными областями. При помощи амплитудного изображения можно определить область сердца, как участок изображения, в котором амплитуда преобразованных по Фурье кривых активность/время в значительной мере превышает амплитуду кривых с окружающей сердце области.
Программа моделирования процесса сбора
В процессе разработки клинических программ немаловажную роль играет наличие входных данных для методов обработки. Использование информации реальных исследований на начальных этапах разработки неоправданно, поскольку они получены уже по устоявшимся процедурам исследований (имеют фиксированные параметры сбора). При исследовании новых методов математической обработки следует производить анализ методов на наборах данных, смоделированных с широким спектром входных параметров. Таким образом, при разработке большого числа клинических программ в составе комплекса естественным образом возникает потребность в программе моделирования процесса сбора.
Данная программа использует камерную модель транспорта РФП (1.20) и модели наблюдения с учётом различных эффектов, построенные в первой главе, для создания данных фантомных исследований.
Программа реализует интерфейс IApplicationComponent и подключается к комплексу как клиническая программа. В результате работы программы обследование дополняется смоделированной группой кадров, а затем сохраняется в ОХД, что позволяет использовать ОХД как библиотеку тестовых данных для клинических программ.
Моделирование производится следующим образом: на основании пользовательского ввода создаются экземпляры классов Phantom и Projector.
Класс Phantom предназначен для моделирования процесса распределения РФП на основании камерной модели и функции пространственного распределения. Таким образом, экземпляры данного объекта фактически являются представлением последовательности векторов / .
Экземпляры класса Projector фактически осуществляют преобразование (1.42), выдавая в результате последовательность планарных изображений. Конкретные схемы пространственного проецирования реализованы в наследниках класса Projector (см. рис. 3.3). Учёт случайной природы радиоактивного распада производится поэлементным преобразованием рь — Poissonij)1). Алгоритмы построения пуассоновского распределения описаны в [44].
Процесс моделирования можно представить в виде следующих этапов: 1. Выбор моделируемого режима работы томографа. На данном этапе пользователь выбирает один из доступных режимов: «Статика», «Динамика», «Всё тело», «Томография», «Синхронизация», «Томография с синхронизацией». В зависимости от выбранного режимом программа накладывает динамические связи (см. раздел 3.3.2) между свойствами объектов, в соответствии с ограничениями данного режима. 2. Настройка модели пространственного распределения РФП. В случае динамических исследований задаются параметры камерной модели и формируются пространства распределения. В случае статики — только пространства распределения. При сборе с синхронизацией задаются функции изменения концентрации и пространственного распределения. 3. Настройка модели пространственного проецирования. На данном этапе производится выбор размерности проекционных изображений, уточняются физические параметры оборудования (размер поля зрения де текторов, геометрия коллиматора, скорости перемещения ПЧД и др.), а также производится выбор и настройка конкретного способа пространственного проецирования (объёмное/послойное, учёт коллиматор-ной размытости, эффект ослабления излучения). 4. Настройка моделирования временных эффектов. Реализована возможность учёта эффекта радиоактивного распада. В случае её использования необходимо задать время полураспада изотопа. 5. Запуск процедуры моделирования. Осуществляется после настройки всех параметров нажатием кнопки «Моделирование». Будет выведен индикатор прогресса расчётов. При завершении моделирования программа перейдёт в режим просмотра результатов. 6. Сохранение результатов моделирования. При удовлетворительности результатов можно сохранить данные в текущем обследовании нажатием кнопки «Сохранить».
В данном разделе рассматриваются некоторые подходы к повышению эф- фективности процесса разработки клинических программ за счёт использования технологий Microsoft .NET [22,31,48,65], а также предложен алгоритм разработки клинической программы в составе комплекса.
При реализации клинических программ полезно отделять логику от отображения, поскольку последовательность вычислений, как правило, линейная, но в то же время пользовательский интерфейс предоставляет множество нелинейных вариантов использования. Средством отделения интерфейса от вычислений служит технология модель-вид.
Технология модель-вид (Model-View) заключается в разделении программных модулей на пары компонент — модель и вид. При этом компонента «модель» отвечает за логику работы модуля, и хранит подчинённые объекты, их состояния и алгоритмы работы с ними, а компонента «вид» отвечает за взаимодействия с пользователем и берет на себя обязанности отображения состояния модели (элементы пользовательского интерфейса) и элементы управления работой модели. Вид так же преобразует ввод пользователя (клавиатура, мышь или другие устройства) в вызовы операций модели. Таким образом, при разделении модуля на модель и вид, мы получаем полное отделение рабочей части, содержащей логику работы и описание текущего состояния программы, от способа и вида отображения на экран и от способа управления с помощью устройств ввода. Основные достоинства данного подхода -это полная свобода в реализации вида, упрощение реализации вида, возможность наличия нескольких, синхронизированных посредством модели, видов. В качестве накладных расходов, реализация данной модели требует создание специального протокола, описывающего взаимодействие между видами и моделями. Предложенный метод взаимодействия моделей и видов представлен на рис. 3.4.
