Введение к работе
- 1 -.
Актуальность темы. С развитием вычислительной техники, ростом производительности ЭВМ и возможностей программного обеспечения расширяется область практического использования цифровой обработки информации. Развитие методов обработки изображений, а главное, их практическое использование до недавнего времени сдерживалось, с одной стороны, относительно низкой производительностью широко доступных персональных ЭВМ и, с другой стороны, сравнительно сложным доступом к системам высокой производительности для обработки информации в реальном времени.
Сегодня ситуация меняется довольно быстро и разработки, которые до еще недавно представляли интерес лишь чисто в теоретическом плане, сегодня находят применение уже на практике. Одним из примеров такого использования ЭВМ является применение математических методов обработки в медицине. В области медицинской диагностики существует ряд задач, которые принципиально можно успешно решать с помощью современных ЭВМ:
-
Определить, здоров ли пациент, исходя из заданного набора признаков заболевания;
-
Установить конкретный диагноз и рекомендовать врачу назначение лечения;
-
Определить эффект назначенного лечения.
Тем не менее, широкое использование математических методов в медицине находится еще в начальной стадии, применение
- г -
ЭВМ в этой области требует не только реализации тех или иных вычислительных алгоритмов, но опыта практического врача. Поэтому сформулировать новые принципы и определить место вычислительной математики в медицине можно только опираясь: на практику совместной работы математиков и врачей, в условиях работы над задачами, имеющими реальное практическое значение.
Одним из таких приложений является разработка и реализация методов обработки и анализа рентгенологических изображений, которые в настоящее время находят все более широкое распространение. Прежде всего это связано с тем, что улучшение качества рентгеновского изображения за счет цифровой обработки позволяет получить дополнительную информацию о.со-остоянии пациента без дополнительного лучевого воздействия.
Обычно визуальная оценка рентгенорадиологического изображения субъективна и зависит от многих факторов: физико-технических условий съемки, качества обработки экспонированной пленки, опыта врача, индивидуальных способностей зрительно воспринимать рентгенографическую картину заболевания и т. д.
По данным работы Г.И. Дзюбы и Т.А. Передриенко (Москва, 1980) в СССР ежегодно проводилось более 100 млн. флюорографических обследований. Поэтому создание системы автоматизированной обработки и анализа рентгенорадиологических изображений является одной из наиболее важных задач в современной медицине.
Решение этой задачи в настоящее время стимулируется
тем, что развитие персональных систем привело к созданию высокопроизводительных рабочих станций ориентированных на интенсивное использование изображений и обладающих в силу этого специализированными аппаратными средствми, предназначенными специально для манипуляций с различными видами изображений. Стандартное программное обеспечение, предназначенное для работы с изображениями, реализует множество рутинных операций, связанных с отображением, хранением, передачей и преобразованием изображений. Производительность настольных систем выросла, как минимум, на порядок и обеспечивает выполнение программ спектрального анализа, геометрических пребразовэний и других, требующих высокого быстродействия, в реальном, с точки зрения врача-рентгенолога, масштабе времени. Чрезвычайно важным является и то обстоятельство, что массовое внедрение вычислительных сетей общего пользование стимулировало разработку и внедрение множества стандартов, которые в конечном итоге были объединены в стандарты "открытых систем". Такие системы обеспечивают максимальную мобильность программного обеспечения и делают разработчика прикладных систем в значительной степени независимым от аппаратуры какого-то одного производителя. В результате появляется возможность широкого использования богатейшего набора программных и аппаратных изделий, разрабатываемых различными коллективами и производителями в конкретных работах и, в частности, в системах, предназначенных для улучшения качества рентгенорадологических изображений.
Проблема улучшения качества рентгеновских изображений на
сегодняшний день становится всилу вышесказанного актуальной еще более, в том смысле, что имеются вполне адекватные средства, обеспечивающие создание широкоиспользуемых удобных и эффективных систем.
Основная цель исследования. Целью исследования в диссертации является разработка математического и программного обеспечения для систем улучшения качества рентгенографических изображений внутренних органов человека, ориентированных для применения на персональных системах, как индивидуальных, так и функционирующих в составе открытых вычислительных систем. Автоматическая обработка и анализ рентгеновского изображения должны обеспечивать оценку состояния пациента и возможность включения в состав системы средств, обеспечивающих выдачу рекомендаций лечащему врачу. С этой точки зрения в рамках диссертационной работы реализовывались средства для решения следующих задач:
I) Оценка, выбор алгоритмов и разработка программ преобразования рентгеновского изображения:
а) направленной фильтрации;
б) адаптивной фильтрации для подавления импульсных по
мех;
в) улучшение качества изображения путем исправления ги
стограммы;
г) выделения некоторых характерных объектов и анализ их
качественных и количественных характеристик.
2) Реализация экспериментальной программной системы для применения в реальной практике.
В качестве экспериментального материала для проведения работы использовались реальные флюоорографическив снимки, закодированные в виде яркостных матриц (512x512x8), записанные на магнитном носителе.
Методы исследования. В качестве основных методов, реали-зованых в системе использованы, как стандартные цифровые методы гармонического анализа (двумерное преобразование Фурье, двумерная свертка, фильтрация), так и ряд специально разработанных методов, основанных на специфике обрабатываемых изображений и требований к результатам обработки.
Научная новизна. Практически впервые в нашей стране реализован программный комплекс, обеспечивающий обработку рент-генорадиологических избражений в интерактивном режиме и позволяющий проводить их исследования врачем рентгенологом. Комплекс выполнен с учетом требований мобильности программного обеспечения и может эксплуатироваться как на IBM совместимых персональных ЭВМ, так и на современных графических рабочих станциях в операционной среде ОС UNIX. Комплекс может быть использован в неоднородных вычислителных сетях и ориентирован на возможность применения как распределенной, так и дистанционной обработки. Программный комплекс выполнен с учетом требований к разработке открытых систем и допускает интегрирование в своем составе любых новых программ, что обеспечивает его развитие и расширение возможностей.
Практическая ценность. Реализован программный комплекс, не только решающий в ряд основных задач по улучшению качества и анализу рентгеновских изображений, но и предпринята
успешная попытка создания мобильного программного продукта, который может быть применен на аппаратуре, имеющей принципиально различную архитектуру и различную производительность. Четкая структурированность комплекса однозначно определяет место и функции совокупности стандартов на различного рода программные интерфейсы и позволяет легко адаптировать комплекс в различных моделях открытых систем, таких как MUSIC или NAS. Вместе с тем, комплекс допускает применение относительно дешевых и широко используемых персональных ЭВМ, что может сделать его исключительно ценным программным продуктом, даже для рядового врача рентгенолога.
Результаты работы могут быть применены в Институте радиологии РАМН, в Институте сердечно-сосудистой хирургии им. Вишневского, в ИМБП АМН, поликлинике ВДВ УД РАН и других медицинских учреждениях, при условии их оснащения персональными ЭВМ класса IBM PC/AT и средствами ввода рентгеновских изображений.
Объеы диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит НО страниц текста, 17 рисунков, 2 таблицы и приложения. Список используемой литературы содержит 94 наименования.
