Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_148_библиотеки_им_акад_М_И_Перельмана
.pdf
https://t.me/med1917
ПЭТ. Многие ОФЭКТ-индикаторы довольно специфичны и часто не
предоставляют той анатомической ориентации, которая осуществляется
нормальным восприятием органами ПЭТ-индикаторов, таких как
фтордезоксиглюкоза (ФДГ). Сканирование на просвет радионуклидов при
ОФЭКТ более неудобно по сравнению с ПЭТ, поскольку гамма-камеры должны
быть способны к нескольким гибким режимам сбора данных. Несмотря на эти
соображения, внедрение комбинированных приборов ОФЭКТ/КТ (рис. 11.44)
медленнее, чем при ПЭТ/КТ. Соображения стоимости, несомненно, вносят свой
вклад, и остается неопределенность в отношении уровня производительности
КТ, который требуется для системы ОФЭКТ/КТ.
Рис. 11.44. Клинические системы ОФЭКТ/КТ
Ранние разработки ОФЭКТ/КТ, включая успешные коммерческие
предложения, сочетали ОФЭКТ с низкоэффективной компьютерной
томографией. Подсистема ОФЭКТ была размещена перед компьютерной
томографией, и данные собирались последовательно, при этом пациент
перемещался между порталами на общей кровати для пациентов.
Последовательный, в отличие от одновременного, сбор данных требовался из-за
перекрестных помех между подсистемами КТ и ОФЭКТ и быстро стал
стандартной моделью работы как для ОФЭКТ/КТ, так и для ПЭТ/КТ.
Рентгеновские трубки малой мощности и низкая скорость вращения означали,
что компонент компьютерной томографии никоим образом не был
оптимизирован для получения качественной диагностической визуализации.
Цель состояла в том, чтобы осуществить коррекцию затухания и столь
необходимый анатомический контекст для ОФЭКТ при сохранении
относительно низкой стоимости.
Стремление к улучшению качества КТ-изображений привело к
внедрению систем ОФЭКТ/КТ, которые включают в себя
высокопроизводительный компонент КТ с возможностями, сравнимыми со
специализированными компьютерными сканерами. Благодаря этой
разработке, ОФЭКТ/КТ теперь выигрывает от существенно улучшенного
качества КТ-изображений, более быстрого сбора данных и более широкого
спектра протоколов КТ. Доступен ряд различных конфигураций
мультидетекторных срезов компьютерной томографии, а также
альтернативные конструкции, в том числе основанные на плоскопанельных
детекторах и усовершенствованиях оригинальной недорогой
387
https://t.me/med1917
недиагностической компьютерной томографии. Такой широкий диапазон
возможностей компьютерной томографии может отражать разнообразие
мнений о роли комбинированной ОФЭКТ/КТ в клинической практике.
11.4.3. ПЭТ/КТ
Параллельные технические разработки как в ПЭТ, так и в КТ были
использованы при разработке комбинированной системы ПЭТ/КТ [11.4]. В
ПЭТ новые материалы детекторов и подходы к реконструкции изображений
увеличили пространственное разрешение и улучшили статистическое
качество изображений. В компьютерной томографии внедрение спирального
сканирования и технологии мультидетекторов предоставило чрезвычайно
быстрый сбор данных в расширенном поле зрения. Эти разработки означали,
что комбинированная система ПЭТ/КТ имела хорошие возможности для
использования растущих доказательств того, что ПЭТ-визуализация с
помощью ФДГ может играть ценную роль в онкологии (рис. 11.45).
Добавление пространственно зарегистрированной анатомической
информации из компьютерного компонента комбинированного сканера дало
толчок к широкому применению ПЭТ в онкологии и привело к быстрому росту
инструментария ПЭТ/КТ. ПЭТ/КТ в настоящее время быстро получила
признание медицинского сообщества, причем настолько, что крупные
коммерческие поставщики больше не разрабатывают автономные ПЭТсистемы.
Ранние системы ПЭТ/КТ не были тесно интегрированы и состояли из
отдельно разработанных компонентов ПЭТ и КТ, которые работали
независимо друг от друга. Учитывая, что получение данных ПЭТ/КТ
происходит последовательно, а не одновременно, такой подход был
разумным, но это означало, что требовалось несколько компьютерных систем
и пользовательский интерфейс мог быть неудобным. Кроме того, наличие
компьютерной томографии для коррекции затухания означало, что система
ПЭТ-сканирования была несколько избыточной. Последующие разработки
устранили источники передачи ПЭТ и привели к большей интеграции двух
подсистем. В некоторых случаях это означало более компактную систему с
непрерывным туннелем для пациента. В других случаях порталы ПЭТ и КТ
были разделены зазором, который предоставлял больший доступ к пациенту
во время сканирования. Удаление системы сканирования передачи данных
также дало возможность увеличить размер порта для пациента, чтобы
вместить более крупных пациентов. Это было дополнительно достигнуто за
счет удаления перегородок из подсистемы ПЭТ и уменьшения размера
торцевых экранов, используемых для отклонения излучения вне поля зрения.
Хотя детекторы ПЭТ и КТ остаются отдельными подсистемами, многие
программные функции современной системы ПЭТ/КТ выполняются на общей
платформе, включая общую базу данных пациентов, содержащую данные как
ПЭТ, так и КТ.
388
https://t.me/med1917
Рис. 11.45. Коронарные изображения, полученные при ПЭТ/КТ с использованием
фтордезоксиглюкозы всего тела. (a) Данные ПЭТ показаны в обратной шкале серого цвета.
(b) Те же данные ПЭТ показаны в цветной шкале, наложенной на КТ в серой шкале
КТ в комбинированных системах ПЭТ/КТ продолжает развиваться по мере
расширения возможностей мультидетекторов. Первоначальная конструкция
ПЭТ/КТ включала КТ с одним срезом, в то время как более поздние системы
включали КТ с 4, 16, 64 или большим количеством срезов. Расширенные
возможности детектора компьютерной томографии позволяют охватить больший
объем за одну задержку дыхания или фазу контрастирования, а также упрощают ряд
протоколов экспресс-диагностики компьютерной томографии, особенно тех,
которые предназначены для кардиологии. Уровень возможностей КТ, требуемый
комбинированной системой ПЭТ/КТ, зависит от степени, в которой система будет
использоваться для качественной диагностической КТ. Для многих онкологических
исследований ПЭТ/КТ не требуется современная КТ, и предпочтение отдается
протоколам с низкими дозами. В этих случаях ток в рентгеновской трубке снижается,
и внутривенное введение контрастного вещества обычно не требуется. Кроме того,
при исследованиях всего тела данные не будут получены в условиях задержки
дыхания, чтобы улучшить пространственное согласование КТ с данными ПЭТ,
получаемыми в течение нескольких дыхательных фаз.
Что касается коррекции затухания на основе КТ, то основным
преимуществом ПЭТ является не столько повышение точности, поскольку
источники передачи 68Ge вполне адекватны при получении с достаточным
статистическим качеством. Основным преимуществом коррекции затухания на
основе КТ является скорость, с которой могут быть получены данные. Это
особенно важно для ПЭТ-исследований всего тела, где необходимы данные о
передаче в каждом положении кровати, что требует увеличения
389
https://t.me/med1917
продолжительности сканирования для достижения надлежащего статистического
качества. С помощью многодетекторных компьютерных томографов изображения
всего тела с низким уровнем шума могут быть получены всего за несколько секунд.
Замена сканирования с просвечиванием радионуклидов компьютерной
томографией привела к существенному сокращению общей продолжительности
процедур сканирования, особенно тех, которые требуют расширенного осевого
охвата. В свою очередь, более короткое сканирование повышает комфорт пациента
и снижает вероятность возникновения проблем с движением. При более коротком
времени сканирования пациенты лучше переносят процедуру «руки вверх», что
приводит к уменьшению затухания и улучшению статистического качества
изображения. В дополнение к этим методологическим соображениям, более
короткая продолжительность сканирования позволяет провести больше
исследований пациента за определенный период времени и, таким образом, более
эффективно использовать оборудование.
Несмотря на относительно быстрое сканирование, осуществляемое
современными системами ПЭТ/КТ, компонент ПЭТ по-прежнему обычно требует
многоминутного сбора данных, и управление движениями пациента по-прежнему
остается проблемой. Движение потенциально может привести к смещению
изображений ПЭТ и КТ, ухудшению пространственного разрешения изображения
и появлению характерных артефактов. Хотя КТ-изображения получаются
независимо от ПЭТ, ПЭТ-изображения включают коррекцию затухания на основе
КТ и, таким образом, особенно чувствительны к движению пациента между двумя
сканированиями. Типы движений, с которыми обычно сталкиваются, включают
грубые движения, часто рук или головы, и дыхательные движения. Первое трудно
исправить ретроспективно, хотя устройства внешнего мониторинга, такие как
системы на базе камер, потенциально могут предоставить решения для движения
головы. Устройства внешнего мониторинга также могут помочь уменьшить
проблемы, связанные с дыхательными движениями. ПЭТ с контролем дыхания
может уменьшить размытость изображения при движении, восстанавливая
изображения по данным, полученным только во время определенных фаз
дыхательного цикла. Это может быть дополнительно уточнено путем включения
модели движения в реконструкцию ПЭТ и включения данных компьютерной
томографии, также полученных под контролем дыхания.
ССЫЛКИ
[11.1] ANGER, H.O., Scintillation camera, Rev. Sci. Instrum. 29 (1958) 27–33.
[11.2] CHERRY, S.R., SORENSON, J.A., PHELPS, M.E., Physics in Nuclear Medicine,
Saunders, Philadelphia, PA (2003).
[11.3] BAILEY, D.L., TOWNSEND, D.W., VALK, P.E., MAISEY, M.N., Positron Emission
Tomography: Basic Sciences, Springer, London (2005).
[11.4] BEYER, T., et al., A combined PET/CT scanner for clinical oncology, J. Nucl. Med. 41
(2000) 1369–1379.
390
https://t.me/med1917
ГЛАВА 12
КОМПЬЮТЕРЫ В ЯДЕРНОЙ МЕДИЦИНЕ
ДЖ. А. ПАРКЕР
Отделение ядерной медицины и отделение радиологии,
Медицинский центр диаконессы Бет Израэль,
Гарвардская медицинская школа,
Бостон, Массачусетс,
Соединенные Штаты Америки
12.1. ФЕНОМЕНАЛЬНЫЙ РОСТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
«Я думаю, что на мировом рынке существует около пяти компьютеров» —
это замечание приписывается Томасу Дж. Уотсону (председателю правления
International Business Machines), 1943 год.
12.1.1. Закон Мура
В 1965 году Гордон Мур, соучредитель Intel, сказал, что новые чипы
памяти обладают вдвое большей емкостью, чем предыдущие чипы, и что
новые чипы выпускаются каждые 18–24 месяца. Это утверждение стало
известно как закон Мура. Закон Мура означает, что объем памяти
увеличивается экспоненциально. В более общем плане экспоненциальный
рост компьютеров применим не только к объему памяти, но и ко многим
компьютерным возможностям, и с 1965 года закон Мура остается удивительно
точным. Кроме того, этот значительный рост возможностей происходил при
неуклонном снижении цены.
Любой, кто хоть немного понимает экспоненциальный рост, понимает,
что экспоненциальный рост не может продолжаться неограниченно. Однако
история компьютеров изобилует «экспертами», которые преждевременно
объявили о прекращении действия закона Мура. Цитата в начале этого
раздела указывает на то, что будущий рост числа компьютеров часто
недооценивался.
12.1.2. Аппаратные средства против «человеческих ресурсов»
Экспоненциальный рост компьютерных возможностей имеет очень
важное значение для руководства отделением ядерной медицины. Рост
производительности персонала отделения происходит медленно, особенно по
сравнению с ростом возможностей компьютера. Это означает, что любое
решение, принятое в прошлом относительно баланса между персоналом и
компьютерами, теперь устарело. Хорошая эвристика такова: всегда
используйте больше возможностей компьютера и меньше людей для
выполнения новой задачи. Или, говоря проще, аппаратные средства «дешевы»,
391
https://t.me/med1917
по крайней мере, по отношению к тому, чему вы научились на тренингах или
к тому, что вы решили в прошлый раз, когда рассматривали баланс между
аппаратными средствами и «человеческими ресурсами».
12.1.3. Будущие тенденции
В ближайшем будущем увеличение возможностей персональных
компьютеров, вероятно, будет связано с увеличением числа центральных
процессоров на одном процессорном чипе (ядрах) и количества процессорных
микросхем в одном компьютере. Множество процессорных блоков были
ключевой особенностью суперкомпьютеров на протяжении многих лет.
Координация большого числа процессоров часто является узким местом в
применении суперкомпьютеров для вычислений общего назначения.
Суперкомпьютеры, как правило, применялись для решения конкретных задач, а
не для вычислений общего назначения. Тенденция к увеличению количества
ядер в персональных компьютерах также пострадала от этого узкого места.
Существующие приложения часто выполняются незначительно быстрее на
многоядерных компьютерах, чем на одноядерных.
Многопоточное программирование, которому в последнее время уделяется
больше внимания, устраняет это узкое место. Многопоточность — это
эффективный метод синхронизации подзадач, которые могут вычисляться
независимо параллельно. Обработка изображений, при которой различные части
изображения могут обрабатываться независимо, хорошо подходит для
многопоточности. Повторная работа только с интенсивно обрабатываемыми
частями программных средств в качестве многопоточного приложения может
значительно повысить общую скорость работы на многоядерном компьютере.
Фактически, несколько базовых пакетов обработки изображений уже являются
многопоточными. Таким образом, при относительно ограниченном обновлении
программные средства для ядерной медицины должны иметь возможность
использовать преимущества тенденции к использованию нескольких
процессоров в одном компьютере.
Область, в которой в настоящее время в персональных компьютерах
используются несколько процессоров – это графические процессоры (GPU).
GPU, которые выполняют одну и ту же операцию с несколькими частями
изображения одновременно, классифицируются как одна команда, несколько
процессоров обработки данных. Традиционно считалось, что эти модули
очень сложны в программировании, но в последнее время некоторые
инструменты программирования делают их несколько более доступными. Их
по-прежнему очень сложно программировать по сравнению с
многопоточностью; однако усовершенствованные средства
программирования должны сделать эти процессоры более распространенными
для наиболее ресурсоемких задач обработки данных. Они, скорее всего, будут
использоваться на интерфейсных компьютерах в устройствах обработки
изображений (см. главу 11), чем на рабочих станциях и серверах, которым
будет уделено основное внимание в этой главе.
392
https://t.me/med1917
12.2. ХРАНЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА КОМПЬЮТЕРЕ
12.2.1. Системы счисления
12.2.1.1. Десятичная, двоичная, шестнадцатеричная системы счисления и база 256
Все знакомы с арабской или десятичной системой счисления, в которой
используются десять символов, 0–9. Компьютерные схемы лучше всего
справляются с двумя значениями, полностью включенными и полностью
выключенными. Двоичная система счисления имеет два значения, 0 и 1. Эти
значения могут представлять включение/выключение, высокое/низкое значение
или true/false. Справа налево цифры в двоичном числе представляют единицы,
двойки, четверки, восьмерки, шестнадцатеричные числа и т. д. Компьютеры
стали намного лучше выполнять преобразования в десятичные числа, так что
пользователям, как правило, не нужно волноваться о двоичных числах; однако
изображения являются исключением. По-прежнему полезно знать кое-что о
двоичных числах, чтобы понять представление изображений на
фундаментальном уровне.
Двоичные числа естественны для компьютеров, но они очень
неестественны для людей. Компромиссом между людьми и компьютерами
является шестнадцатеричная система счисления или система счисления с
основанием 16. Десятичное число, 1000, представлено 3E8 в шестнадцатеричном
формате, который гораздо легче запомнить, чем 1111101000 в двоичном.
Шестнадцатеричная система счисления использует 16 символов: 0–9
используются для первых десяти символов, а A–F – для последних шести
символов. Справа налево цифры в шестнадцатеричном числе представляют
собой 1, 16, 256 и т. д.
Значение десятичной цифры равно 10n, где n – позиция. Значение двоичной
цифры равно 2n, а значение шестнадцатеричной цифры равно 16n. Четыре
двоичные цифры представляют то же значение, что и одна шестнадцатеричная
цифра: 24 = 16. По этой причине можно легко выполнять обратное
преобразование между двоичным и шестнадцатеричным, но не между двоичным
и десятичным.
Другая интересная система счисления используется в Интернете
(таблица 12.1). В ней используется базовая система счисления 256, но вместо того,
чтобы изобретать совершенно новый набор символов, в качестве символов
используются соответствующие десятичные числа. Поскольку десятичные числа
от 0 до 255 различаются по длине, для разделения цифр необходимо использовать
точки. Справа налево цифры в интернет-адресе представляют собой 1, 256, 2562 и
т. д. Интернет-система счисления – это наиболее удобный компромисс между
предпочтением компьютера двоичным числам и знакомством людей с десятичной
системой счисления. Интернет-адрес можно рассматривать как базовое число 256
(28). Цифры разделены точками. Значения цифр приведены в виде их десятичных
эквивалентов. Одна цифра Интернета равна двум шестнадцатеричным цифрам
или восьми двоичным цифрам (см. таблицу 12.1).
393
← 32 двоичных разряда →
Бинарный
0001
1000
0000
1001
1111
0011
0100
1110
Шестнадцатиричный
1 8 0 9 F 3 4
E
Интернет-адрес
24. 9. 243.
78.
https://t.me/med1917
12.2.1.2. Кило, мега, гига, тера
В десятичной системе счисления килограммы, мега, гига и тера
используются для представления 1000, 1 000 000, 1 000 000 000 и 1 000 000 000
000 000 соответственно. Используя научную запись, эти числа равны ,
и
соответственно. Двенадцать двоичных цифр можно использовать для
представления примерно того же диапазона чисел, что и три десятичные цифры:
= 1024 и
этим терминам значение , , и
= 1000. Таким образом, компьютерное сообщество присвоило
.
ТАБЛИЦА 12.1. СИСТЕМА ЧИСЕЛ ИНТЕРНЕТ-АДРЕСОВ
,
12.2.2. Представление данных
Цифровые изображения состоят из отдельных элементов изображения,
пикселей, которые представляют собой одну точку на изображении. Каждый
пиксель представлен числом или серией чисел. Существует несколько методов
представления каждого числа.
12.2.2.1. Целые числа
Группа двоичных цифр (битов) может быть интерпретирована
несколькими различными способами. Самый простой – как положительное целое
число, числа 0, 1, 2, 3 и т. д. Количество бит определяет, насколько большое
число может быть сохранено. Четыре бита, одна шестнадцатеричная цифра,
могут представлять 0–15. Восемь битов могут представлять две
шестнадцатеричные цифры, значения 0–255. Восемь битов называются байтом.
Байт обычно является наименьшей единицей памяти, используемой для
пикселя. Он довольно ограничен как с точки зрения количества отсчетов,
которые могут быть собраны в одном пикселе, так и с точки зрения того,
сколько цветов может быть задано 1 байтом. Учитывая архитектуру
современных компьютеров, имеет смысл использовать некоторое количество
байт, например, 2 байта (16 бит), 3 байта (24 бита) и 4 байта (32 бита). В
таблице 12.2 показано количество отсчетов, которые могут быть представлены
с использованием каждого из этих форматов. В ядерной медицине 2-байтовое
изображение иногда называют изображением слова. В более общем плане
«слово» не имеет фиксированного значения; это зависит от архитектуры
компьютера. Это менее двусмысленный способ описания больших целых
значений как 2 байта, 4 байта и т. д.
394
Разряд
Диапазон
Количество значений
1 бит 1 0–1
2
1 байт 8 0–255
256
2 байта
16
0–65 535
64 k
3 байта
24
0–16 777 215
16 M
4 байта
32
0–4 294 967 295
4 G
5 байтов
40
0–1 099 511 627 776
1 T
Символ
Префикс
Степень 2
Значение
Степень 10
к
Кило
2
10
1024
~103
М
Мега
220
1 048 567
~106
Г
Гига
230
1 073 741 824
~109
Т
Тера
240
1 099 511 627 776
~1012
https://t.me/med1917
Дополнительная сложность заключается в том, что пиксели иногда
представлены нецелыми числами байт. Например, пиксели компьютерной
томографии (КТ) часто имеют размер 12 бит. В компьютерах эти пиксели часто
хранятся в виде 2 байт, где неиспользуемые биты устанавливаются равными нулю.
Некоторые форматы изображений даже используют нецелое число байт на пиксель.
ТАБЛИЦА 12.2. КОЛИЧЕСТВО ОТСЧЕТОВ, КОТОРЫЕ МОГУТ БЫТЬ
ПРЕДСТАВЛЕНЫ В РАЗЛИЧНЫХ ФОРМАТАХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
где
12.2.2.2 Числа со знаком и при отсутствии знака
Положительные целые числа называются целыми числами при отсутствии
знака. В арифметике «2s compliment» отрицательные целые числа –1, –2, –3 и т.д.
представлены наибольшими, следующими по величине и т. д. двоичными
числами. Знак числа определяется по значению бита старшего порядка. Если
число со знаком по ошибке отображается как число при отсутствии знака, оно
отображается так, как если бы у него была очень высокая активность. Понимание
разницы между знаковыми числами и числами при отсутствии знаков позволяет
относительно легко диагностировать и знать, как решить эту проблему.
12.2.2.3. Числа с плавающей запятой и комплексные числа
Представление с плавающей запятой аналогично научной записи, где
число представлено мантиссой, умноженной на 10n, где n называется
показателем степени. Вместо 10n в компьютерном представлении
395
https://t.me/med1917
используется 2n. В соответствии со стандартом Института инженеров
электротехники и электроники (IEEE) и число, и показатель степени являются
целыми числами со знаком. Для 32-разрядного стандарта IEEE с одинарной
точностью величина наибольшего числа составляет около 3,4 × 1038, а
величина наименьшего ненулевого числа составляет около 1,2 × 10
–38
. Для 64-
разрядного стандарта IEEE двойной точности величина наибольшего числа
–308
308
, а величина наименьшего ненулевого числа
.
составляет около 1,2 × 10
составляет около 2,2 × 10
Числа с плавающей запятой обычно не используются для необработанных
данных ядерной медицины; однако во время обработки они могут быть весьма
полезны как для представления дробей, так и потому, что при некоторой
обработке используются большие промежуточные значения.
Комплексные числа состоят из двух частей, действительной и мнимой.
Они записываются x + iy, где x – действительная часть, а iy – мнимая часть.
Символ i обозначает
. В математике символ j часто используется вместо i.
Каждое комплексное число представлено в виде двух чисел с плавающей
запятой. Комплексные числа всплывают только в ядерной медицине во время
обработки. Однако при магнитно-резонансной томографии (МРТ) комплексные
числа являются наиболее логичным представлением необработанных сигналов,
поступающих от магнита.
12.2.2.4. Порядок байтов
Адресация памяти осуществляется по байтам. Если число хранится с
использованием 4 байт, то последовательные числа начинаются с адресов 0, 4,
8 и т. д. Путаница может возникнуть из-за того, что производители
компьютеров не приняли стандартный способ объединения байтов в число. От
наименее значимого к наиболее значимому некоторые производители
собирали 4-байтовые числа, используя адрес 0, за которым следует адрес 1,
например, 0123; другие производители собирали 4-байтовые числа в порядке
3210. Первый иногда называется «big-endian», большой адрес находится в
конце — большие значения идут первыми; последний иногда называется
«little-endian».
12.2.3. Изображения и объемы
Изображения могут быть представлены с помощью двумерных функций.
Если x и y приняты за горизонтальные и вертикальные, то двумерная функция f
(x, y) выдает значение изображения в каждой точке изображения. Все чаще
оборудование для визуализации выдает не одно изображение, а объем
трехмерных данных, например, справа налево, спереди назад и от каудального к
головному отделу. Объем данных может быть представлен в виде трехмерной
функции f (x, y, z).
2‑D, 3‑D, 4‑D и т. д. часто широко используются в медицине, но может
оказаться полезным четко понимать аспекты, связанные с применением.
396
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана