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
12.5.5.2. Цифровая визуализация и коммуникации в медицине
DICOM – наиболее широко распространенный формат
рентгенологической визуализации. DICOM начинался как ACR-NEMA,
сотрудничество между Американским колледжем радиологии и
Национальной ассоциацией производителей электротехники. Версия 3 этого
стандарта изменила название на DICOM, отчасти для того, чтобы
позиционировать стандарт в более международных рамках. DICOM часто
рассматривается как формат файла; однако стандарт охватывает
коммуникацию более широко. Он определяет протокол передачи, стандарт
запросов и извлечения, а также управление рабочими процессами. К
сожалению, он чрезмерно сложен, не поддается самоописанию и имеет
сильное смещение в сторону двумерного изображения (см. раздел 12.6.4).
12.6. ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА
12.6.1. База данных
Базы данных являются одним из наиболее распространенных приложений
для компьютеров. Веб-сайты часто сильно зависят от базы данных. Например,
поисковые системы предоставляют информацию из базы данных о сети, а
интернет-магазины широко используют базы данных как для поиска товаров, так
и для получения информации о клиентах и заказах.
12.6.1.1. Таблица
Почти вся информация в базах данных содержится в таблицах. Таблица
представляет собой простую двумерную информационную матрицу. Строки в
таблице называются записями, а столбцы – полями. Строки относятся к
отдельным объектам. В таблице клиентов строками являются клиенты. В
таблице заказов строками являются заказы. В таблице пациентов строками
являются пациенты. В таблице исследований строками являются исследования.
Столбцы являются атрибутами объекта. В базе данных пациентов столбцами
могут быть имя, отчество, фамилия, дата рождения, MRN и т. д. В таблице
введенных доз столбцами могут быть радиоизотоп, радиофармпрепарат,
введенная доза, время инъекции и т. д.
Ключевая концепция заключается в том, что таблицы очень просты —
двумерные матрицы данных. Простота предоставляет надежность. Почти вся
информация в базе данных представлена в простом формате, который легко
копировать и легко переносить между базами данных.
Обычно в каждой таблице есть одно поле, уникальное для каждой строки.
Это уникальное поле можно использовать для поиска. Поскольку это поле
позволяет получить доступ к записи, оно называется регистрационным номером.
Регистрационным номером для таблицы пациентов может быть MRN;
регистрационным номером для таблицы исследований может быть номер
437
https://t.me/med1917
исследования; регистрационным номером для таблицы клиентов может быть
номер клиента. Некоторые базы данных используют комбинацию полей в
качестве регистрационного номера, но основная идея та же: должно быть что-то
уникальное, идентифицирующее каждую строку.
12.6.1.2. Индекс
Индекс предоставляет быстрый доступ к записям (строкам) таблицы.
Индекс отделен от таблицы и сортируется для удобства поиска, часто с
использованием древовидной структуры. Сами таблицы обычно не сортируются;
записи просто добавляются одна за другой. Индекс, а не таблица, осуществляет
организацию записей для быстрого доступа. Индексы – одна из важных
технологий, предоставляемых поставщиком баз данных.
Индексы могут быть сложными. Однако в индексе не хранится
информация. Индекс может быть перестроен из таблиц. На самом деле, при
переносе данных в новую базу данных индексы обычно перестраиваются.
Индексы важны для эффективности, но единственная информация, которую они
содержат, это как эффективно получить доступ к таблицам.
12.6.1.3. Отношение
Ключевым элементом реляционных баз данных являются отношения.
Отношения соединяют одну таблицу с другой таблицей. Концептуально
отношения образуют очень важную часть базы данных и предоставляют
большую часть сложности. Однако сами отношения на самом деле очень просты.
Связь между таблицей пациента и таблицей исследования может быть записана:
patient.MRN = study.MRN
Это говорит о том, что записи в таблице пациентов связаны с записями в
таблице исследований полем MRN.
Врач думает о базе данных в терминах пациентов, у которых проводятся
исследования, связанные с радиофармпрепаратами; однако радиофармацевт
думает об изотопах и радиофармпрепаратах. Взаимосвязи облегчают эти
различные точки зрения. Врач может получить доступ к базе данных с точки
зрения пациентов, а радиофармацевт может получить доступ к базе данных с
точки зрения радиофармпрепаратов. Используются одни и те же таблицы;
отличается лишь небольшой объем информации, содержащейся в соотношениях.
12.6.2. Информационная система больниц
Информационная система больницы представляет собой большую
распределенную базу данных. Данные поступают из клинических лабораторий,
ядерной медицины, финансовых систем и т. д.
438
https://t.me/med1917
12.6.2.1. Прием, выписка, перевод
Большинство информационных систем больниц имеют базу данных о
поступлении, выписке, переводе (ADT). Система ADT является основной
системой идентификации пациентов. Другие системы используют систему ADT
для надежной, скоординированной идентификации каждого пациента в
масштабах всего учреждения.
12.6.2.2. Информационный шлюз
Часто целью бизнеса или подразделения более крупной организации является
поддержание простой бизнес-модели – небольшой продуктовой линейки и т.д.
Простая бизнес-модель часто отражается в простом дизайне базы данных.
Медицина очень сложна, и принцип простого, хорошо структурированного дизайна
– это мечта. Как правило, различные отделения больницы имеют несовместимые
базы данных; даже в пределах одного отделения могут существовать
несовместимые системы. Одним из методов решения этой проблемы является
разработка седьмого уровня здоровья (HL7), стандартного формата сообщений для
обмена данными между системами в больнице. Однако связи между системами попрежнему различаются. Если существует n систем, связь между ними становится
проблемой, которая растет пропорционально n2
Информационный шлюз решает эту проблему. Единственная задача
информационного шлюза – соединять системы, переводя сообщения таким
образом, чтобы они могли быть поняты другими системами. Каждой системе
нужно только подключиться к шлюзу, и шлюз взаимодействует со всеми
системами в больнице. Рост сложности имеет тенденцию увеличиваться скорее,
как n, чем как n2.
12.6.3. Радиологическая информационная система
Информационная система радиологии (RIS) поддерживает планирование,
выполнение процедур, отчетность о результатах и выставление счетов. Когда
ядерная медицина является подразделением радиологии, RIS обычно также
функционирует как информационная система ядерной медицины. Однако
процедуры ядерной медицины обладают некоторыми уникальными
характеристиками, такими как исследования, которые длятся в течение
нескольких дней, и с которыми может плохо справиться РИС общего назначения.
12.6.4. Система архивирования изображений и передачи данных
Информация об изображениях, получаемая с оборудования для
визуализации, обычно хранится в системе архивирования изображений и
передачи данных (PACS), которая отделена от информационной системы
радиологии/ядерной медицины, но координируется с ней. DICOM является
преобладающим стандартом для PACSs.
439
https://t.me/med1917
12.6.4.1. Исследование
Высшим уровнем организации в DICOM является исследование. Этот
уровень организации исходит из организации системы здравоохранения.
Поставщики медицинских услуг запрашивают услуги в области
радиологии/ядерной медицины путем запроса на консультацию. Выполняется
визуализация или другая услуга, и отчет, в идеале включающий информацию об
изображении, возвращается поставщику. Каждое исследование связано с одним
пациентом, но у пациента может быть любое количество отдельных
исследований.
12.6.4.2. Последовательность
Последовательность – это следующий уровень организации в DICOM.
Последовательность берется из последовательности изображений; для объема
данных изображений последовательность является верхним уровнем
организации. Например, обычно собирают последовательность осевых
изображений. Более общим названием для этого уровня организации было бы
набор данных.
12.6.4.3. Изображение
Первоначально DICOM использовала двумерное изображение в качестве
базового элемента. Другие структуры данных состоят из нескольких
изображений. К каждому изображению прилагается значительный объем
метаданных, определяющих как структуру изображения, информацию о
пациенте, информацию о сборе данных, так и связь изображения с другими
изображениями. Несколько позже в DICOM был определен многокадровый
формат. Один файл может содержать информацию из большого объема данных,
из временного ряда, из закрытой последовательности, из разных фотоприколов
и т. д. Ядерная медицина, как правило, использует многокадровый формат
гораздо чаще, чем другие методы. Описание организации набора данных в
терминах нескольких изображений является особенно неудобной функцией
DICOM.
12.6.4.4. N-мерные данные
К сожалению, DICOM выбрала изображение в качестве базового элемента
организации (см. раздел 12.5.4.3.3). Еще до его появления было очевидно, что Nмерная модель данных была бы более подходящей. Ядерная медицина и МРТ
часто имеют дело с 1‑мерными кривыми, 2‑мерными изображениями,
3‑мерными объемами, 4‑мерными закрытыми или динамическими объемами и т.
д. Однако радиология, как правило, основывалась на пленке, а объемные данные,
такие как КТ, были анизотропными, поэтому некоторые из ранних
разработчиков ориентировались на изображение.
440
https://t.me/med1917
12.6.5. Планирование
Составление расписания – гораздо более сложная задача, чем может
показаться на первый взгляд. Возможно, потребуется назначить несколько
приемов в разных отделениях одновременно. Последовательность исследований
может быть важной, например, визуализацию щитовидной железы не следует
проводить в непосредственной близости от использования йодсодержащего
контраста. Для некоторых исследований требуется предварительный тест на
беременность или другие лабораторные показатели. Перед проведением
некоторых исследований необходимо предоставить предварительные данные;
например, предварительная электрокардиограмма должна быть доступна перед
исследованием миокардиального стресса.
Поскольку планирование должно координироваться между отделениями и
использовать информацию по всей больнице, логически это функция
информационной системы больницы. Однако планирование связано со многими
проблемами, которые являются локальными для данного метода, например, с
доступностью ресурсов, таких как радиофармпрепараты, персонал и
оборудование. Часто планирование осуществляется на местном уровне, с
использованием людей для осуществления большей части координации в
масштабах всей больницы.
Система планирования создает «рабочий список», список исследований,
которые необходимо выполнить. Большинство современных устройств для
визуализации могут использовать рабочий список, предоставляемый RIS. Когда
технолог начинает визуализационное исследование, из рабочего списка
выбирается соответствующий пациент. Выбор пациента из списка приводит к
гораздо меньшему количеству ошибок, чем повторный ввод всех
демографических идентификационных данных для каждого исследования.
12.6.6. Брокер
Брокер – это, по сути, информационный шлюз. Термин «информационный
шлюз» обычно используется для системы в масштабах всей больницы. Термин
«брокер» обычно используется, когда речь идет о системе в радиологическом
отделении. Брокер обрабатывает несовместимые детали, связанные с RIS, PACS
и устройствами визуализации, которые являются локальными для радиологии.
12.6.7. Безопасность
Медицинская информация является частной. Хотя конфиденциальность
медицинской информации часто является относительно незначительной
проблемой для широкой общественности, она вызывает серьезную
озабоченность у политиков, которые устанавливают правила, касающиеся
безопасности, необходимой для медицинской информации. Теория защищенной
связи по незащищенным каналам считается решенной проблемой. Однако
необходима бдительность, поскольку практические реализации теории часто
441
https://t.me/med1917
имеют дыры в системе безопасности, которыми могут воспользоваться хакеры.
Кроме того, при агрегировании частной медицинской информации
потенциальный масштаб нарушения безопасности становится
катастрофическим. Безопасность зависит не только от компьютерных систем, но
и от людей, которые часто являются слабым звеном.
Необходимо соблюдать баланс между ущербом, причиняемым в
результате нарушения безопасности, и затратами на меры безопасности. Часто
ситуации с относительно низким уровнем ущерба решаются с помощью
чрезмерно дорогих систем, особенно с точки зрения снижения
производительности. Основным эффектом безопасности не должно быть
предотвращение доступа авторизованных пользователей к информации. Ядерная
медицина, как правило, представляет собой среду с относительно низким
уровнем риска, поэтому в большинстве случаев баланс должен быть в пользу
производительности, а не безопасности.
БИБЛИОГРАФИЯ
HUTTON, B.F., BARNDEN, L.R., FULTON, R.R., «Nuclear medicine computers», Nuclear
Medicine in Clinical Diagnosis and Treatment (ELL, P.J., GAMBHIR, S.S., Eds), Churchill
Livingston, London (2004).
LEE, K.H., Computers in Nuclear Medicine: A Practical Approach, Society of Nuclear Medicine,
2nd edn (2005).
PARKER, J.A., Image Reconstruction in Radiology, CRC Press, Boston, MA (1990).
PIANYKH, O.S., Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM): A Practical
Introduction and Survival Guide, Springer, Berlin (2008).
SALTZER, J.H., KAASHOEK, M.F., Principles of Computer System Design: An Introduction,
Morgan Kaufmann, Burlington (2009).
TODD-POKROPEK, A., CRADDUCK, T.D., DECONINCK, F., A file format for the exchange
of nuclear medicine image data: a specification of Interfile version 3.3, Nucl. Med. Commun.
13 (1992) 673–699.
442
https://t.me/med1917
ГЛАВА 13
РЕКОНСТРУКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Й. НУЙЦ
Кафедра ядерной медицины и Исследовательский центр медицинской
визуализации,
Католический университет Левена,
Левен, Бельгия
С. МАТЕЙ
Группа обработки медицинских изображений,
отделение радиологии,
Пенсильванский университет,
Филадельфия, Пенсильвания,
Соединенные Штаты Америки
13.1. ВСТУПЛЕНИЕ
В этой главе рассматривается, как можно восстановить двумерные или
трехмерные изображения распределения радиотрассера из серии так
называемых проекционных изображений, полученных с помощью гаммакамеры или системы позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) [13.1]. Это
часто называют «обратной проблемой». Реконструкция является обратной по
отношению к получению. Реконструкция называется обратной проблемой,
потому что создание программных средств для вычисления истинного
распределения трассера по полученным данным оказывается сложнее, чем
«прямое» направление, т. е. создание программных средств для
моделирования получения.
В основном существует два подхода к реконструкции изображений:
аналитическая реконструкция и итеративная реконструкция. Аналитический
подход основан на математической инверсии, что позволяет использовать
эффективные алгоритмы отсутствии итерационной реконструкции. При
итеративном подходе задача реконструкции сводится к вычислению конечного
числа значений изображения по конечному числу измерений. Это упрощение
позволяет использовать итеративную, а не математическую инверсию.
Итеративная инверсия, как правило, требует большей мощности компьютера, но
она может справиться с более сложными (и, надеемся, более точными) моделями
процесса сбора данных.
13.2. АНАЛИТИЧЕСКАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ
Преобразование Радона (n-мерное) отображает изображение размерности
n на множество всех интегралов по гиперплоскостям размерности
[13.2].
Таким образом, в двух измерениях преобразование Радона изображения
443
https://t.me/med1917
соответствует всем возможным линейным интегралам от . В трех измерениях
преобразование Радона содержит все возможные интегралы по плоскости.
Преобразование рентгеновских лучей (n-мерное) отображает изображение
размерности n на множество всех возможных линейных интегралов. Во всех
приложениях ПЭТ и почти во всех однофотонной эмиссионной компьютерной
томографии (ОФЭКТ) измеренные проекции могут быть хорошо
аппроксимированы как подмножество (возможно, ослабленного)
преобразования рентгеновских лучей, поскольку механическая (ОФЭКТ) или
электронная (ПЭТ) коллимация предназначена для получения информации
вдоль линий (линия ответа (LOR), см. главу 11). Следовательно, реконструкция
предполагает вычисление неизвестного изображения из (части) его
преобразования рентгеновских лучей. На рисунке 13.1 показаны проекции ПЭТ,
которые часто представляются в виде набора проекций или набора синограмм.
Рис. 13.1. Связь между проекциями и синограммами в параллельно-лучевой проекции. Параллельно-
лучевая съемка (ПЭТ) показана в виде блока с размерами , и . Поперечное сечение при
фиксированном дает проекцию; поперечное сечение при фиксированном дает синограмму
Важной теоремой для аналитической реконструкции является теорема о
центральном срезе (или центральном сечении), которая дает связь между
преобразованием Фурье изображения и преобразованиями Фурье его
параллельных проекций. Ниже теорема о центральном срезе для двумерного
изображения представлена в виде ур. (13.7), а теорема о центральном срезе для
трехмерного изображения – в виде ур. (13.29).
444
https://t.me/med1917
Прямой метод Фурье является простым применением теоремы о
центральном срезе: он вычисляет преобразование Фурье проекций,
использует теорему о центральном срезе для получения преобразования
Фурье изображения и применяет обратное преобразование Фурье для
получения изображения. На практике этот метод используется редко; гораздо
более популярен близкий к нему алгоритм фильтрованной обратной
проекции (FBP).
13.2.1. Двухмерная томография
13.2.1.1. Преобразование рентгеновских лучей: проекция и обратная проекция
В двумерном пространстве преобразование Радона и преобразование
рентгеновских лучей идентичны. Математически двумерное преобразование
рентгеновских лучей (или преобразование Радона) изображения можно
записать следующим образом:
где функция – равна единице для точек на LOR
и нулю в других местах.
Следует отметить, что в используемых здесь обозначениях соответствует
проекции вдоль оси .
Преобразование Радона описывает процесс получения данных в 2D ПЭТ и
ОФЭКТ с коллимацией параллельными отверстиями, если можно пренебречь
затуханием. Если предположить, что
трассера в трансаксиальном срезе через пациента, то
представляет собой распределение
представляет
собой соответствующую синограмму и содержит -ю строку проекций,
полученных под углами . Рисунок 13.1 иллюстрирует связь между проекцией и
синограммой.
Преобразование рентгеновских лучей имеет смежную операцию, которая
используется как при аналитической, так и при итеративной реконструкции.
Этот оператор обычно называют оператором обратной проекции, и он может
быть записан как:
445
https://t.me/med1917
Обратная проекция не является инверсией проекции, .
Интуитивно понятно, что обратная проекция направляет измеренную
активность обратно в изображение, равномерно распределяя ее по линиям
проекции. Как показано на рис. 13.2, проекция с последующим обратным
проецированием дает размытую версию исходного изображения. Это
размытие соответствует свертке исходного изображения с двумерным ядром
свертки
.
Рис. 13.2. Изображение (слева) проецируется для получения синограммы (в центре),
которая, в свою очередь, проецируется обратно, получая сглаженную версию исходного
изображения
13.2.1.2. Теорема о центральном срезе
Теорема о центральном срезе дает очень полезное соотношение между
двумерным преобразованием Фурье изображения и одномерными
преобразованиями Фурье его проекций (вдоль оси детектора). Рассмотрим
проекцию вдоль оси y, , и ее одномерное преобразование Фурье:
и сравним его с двумерным преобразованием Фурье изображения :
446
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана