Отображение, регистрация и обработка информации

№ раздела Наименование раздела Содержание раздела 1 Введение в дисциплину медицинские ультразвуковые приборы. Предмет и задачи дисциплины «медицинские ультразвуковые приборы». Распространение ультразвука в биологических средах. Особенности прохождения ультразвуковых волн через биологические ткани. Акустические характеристики биологических тканей. 2 Ультразвуковые диагностические приборы Классификация ультразвуковых приборов. Основные режимы работы. Режим В (2D), режим А и режим М 3 Особенности работы ультразвуковых сканеров Основные характеристики УЗ сканеров. Формирование УЗ луч. Передача, прием и обработка сигналов. 4 Допплеровские ультразвуковые сканеры Эффект допплера. Оценка скорости движения по допплеровскому сдвигу частоты. Допплеровский угол. Понятие о спектре скоростей кровотока и спектре частот допплеровского сдвига. Непрерывноволновой допплер. Импульсно-волновой доплер. Измерение спектра допплеровских частот спектра. Неоднозначность измерения спектра. Практические рекомендации, измерения и вычисления в режиме спектрального допплера. 5 Ультразвуковые системы с цветовым допплеровским картированием Принципы получения цветового допплеровского изображения. Модификация цветового картирования. Энергетический допплер. Тканевый допплер. Практические рекомендации при работе в режиме цветового картирования. 6 Отображение, регистрация и обработка информации Отображение информации. Регистрация изображений. Архивирование и обработка изображений. Передача изображений. 7 Перспективы развития ультразвуковых методов Получение трехмерных изображений. Контрастные вещества. Тканевая и контрастная гармоники. 8 Безопасность ультразвуковой диагностики Отечественные стандарты безопасности. Био логические эффекты ультразвука. Физические характеристики акустического излучения. Требования зарубежных стандартов. Рекомендации врачу-диагносту. Лекция 6 Отображение, регистрация и обработка информации 6. ОТОБРАЖЕНИЕ, РЕГИСТРАЦИЯ, АРХИВИРОВАНИЕ, ОБРАБОТКА И ПЕРЕДАЧА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ 6.1. ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ Для отображения информации в УЗ приборах чаще всего используются телевизионные мониторы (TV-мониторы), работающие в телевизионном стандарте изображения. В обычных УЗ сканерах и сканерах со спектральным допплером применяются мониторы с кинескопами черно-белого изображения. В УЗ системах с цветовым допплеровским кар- тированием используются кинескопы цветного изображения. Основные параметры, характеризующие качество изображения кинескопа, - разрешающая способность и динамический диапазон. Разрешающая способность монитора обычно выражается количеством элементов изображения по горизонтали и вертикали экрана. Элементы изображения называются пик- селами (от «picture elements). Динамический диапазон определяет диапазон изменений градаций яркости от максимального до минимального уровня, которые можно увидеть на экране. Разрешающая способность определяется числом строк в принятом стандарте изображения и шириной полосы видеоусилителя. В обычном российском телевизионном стандарте число строк на экране равно 625, в американском и японском стандартах число строк - 525. Количество элементов изображения вдоль строки обычно не превышает 700. Общее число пространственных элементов изображения, как правило, не более 400000. Количество элементов акустического изображения, фиксируемое в устройстве памяти, чаще всего составляет 512 х 512. Поэтому разрешающая способность телевизионного монитора достаточна для того, чтобы отображать акустическое изображение практически без потерь качества. В УЗ приборах высокого класса число элементов акустического изображения может превышать величину 512 х 512. В этом случае обычный телевизионный стандарт не позволяет передать акустическое изображение без потерь, и поэтому применяются мониторы с высокой четкостью изображения (high resolution), в которых удваивается число строк в кадре и соответственно увеличивается число элементов вдоль строки. Динамический диапазон отображаемых уровней яркости в современных мониторах достигает 35-40 дБ, т.е. отношение максимальной яркости к минимальной составляет 3000-10000, что достаточно для передачи градаций яркости, воспринимаемых глазом. В системах с цветовым допплеровским картированием применяются цветные RGB- мониторы (от слов Red - красный, Green - зеленый и Blue - синий). В этих мониторах все- возможные цвета получаются за счет смешивания в различной пропорции трех основных цветов. Количество изображаемых на экране цветовых оттенков называется палитрой (palette). В современных приборах, имеющих в своем составе встроенные компьютеры, в качестве мониторов применяются компьютерные дисплеи, которые в принципе аналогичны теле- визионным, так как они формируют изображение с помощью кинескопа, но внутреннее их устройство отличается от телевизионных. Компьютерные дисплеи имеют большой размер экрана - от 14" по диагонали. Компьютерные мониторы могут обеспечивать более четкое и детальное изображение, чем телевизионные мониторы. Качество изображения в них зависит от видеоадаптера. Если обычный видеоадаптер VGA (Video Graphics Array) обеспечивает разрешение 640 х 480, близкое к разрешению в обычном телевизионном стандарте, то современный видеоадаптер SVGA (super VGA) дает разрешение 800 х 600, 1280 х 1024 и 1600 х 1200, что сравнимо с возможностями телевизионного стандарта высокой четкости или превышает их. Важным преимуществом компьютерных мониторов по сравнению с телевизионными является более высокая частота кадров - от 70 до 85 Гц, в то время как в телевизионных мониторах частота кадров составляет 50 или 60 Гц (а реально частота мерцания строк 25 или 30 Гц), что приводит к заметному для глаз мельканию и большей утомляемости. Цветовая палитра компьютерного монитора может быть очень велика, и богатство ее зависит от объема видеопамяти видеоадаптера. Для повышения безопасности пользователя мониторы снабжаются защитными экранами, а для улучшения наблюдения изображения используются специальные неотражающие фильтры, резко уменьшающие блики, которые могут возникать на экране. 6.2. Регистрация изображений Наиболее распространенным средством регистрации УЗ диагностической информации является термови-деопринтер, т.е. принтер, использующий принцип печати на специаль- ной термобумаге. Современные термовидеопринтеры имеют высокую пространственную разрешающую способность, достигающую 16 точек на миллиметр, и позволяют регистри- ровать не только черно-белое, но и цветное изображение. Число градаций серого в каждой точке («серая шкала») у высококачественного тер-мовидеопринтера достаточно велико, чтобы обеспечить динамический диапазон полутонов изображения, приближающийся к динамическому диапазону яркостей на экране монитора или компьютерного дисплея. Стандартный размер изображения, получаемого на термовидеопринтере, - 95 х 70 мм или 129 х 95 мм. Количество элементов в изображении может достигать 1520 х 1120 и более. Время получения изображения на термобумаге не превышает нескольких секунд. Глава 6 Несмотря на очевидные достоинства использования термовидеопринтера, этому способу регистрации свойственны следующие недостатки: ? высокая чувствительность термобумаги к повышенной температуре и поэтому большие сложности хранения полученных изображений; ? определенные проблемы с выводом дополнительной служебной информации и протоколов исследования; ? достаточно высокая стоимость термовидеопринтеров и термобумаги, особенно для регистрации цветных изображений. Другим способом регистрации УЗ информации является использование видеомагнитофона. Видеомагнитофон позволяет записывать и воспроизводить изображения практически без снижения качества по сравнению с изображением, наблюдаемым на экране УЗ прибора, только в случае использования стандарта SVHS. При этом необходимо иметь в виду, что видеомагнитофоны и кассеты, работающие в этом стандарте, существенно дороже, чем видеомагнитофоны и кассеты обычного стандарта VHS. Основные недостатки способа регистрации с использованием видеомагнитофона: ? отсутствие твердой копии для хранения ее в медицинской карте пациента; ? относительно большое время поиска требуемого изображения. По указанным причинам видеомагнитофон, как правило, применяется для регистрации информации при спе- циальных и научных исследованиях. В УЗ системах высокого, а иногда и среднего класса может использоваться регистрация изображений на дискетах 3,5", жестких магнитных дисках («винчестерах») и магнитооптических дисках. Объем регистрируемой информации на одном диске может составлять тысячи и даже десятки тысяч изображений в зависимости от емкости диска. Так, жесткий магнитный диск емкостью 1,2 Гб может хранить порядка 10 тыс. изображений. Этот способ регистрации позволяет реализовать быстрый поиск нужной информации. Наблюдать эту информацию можно прямо на экране прибора, проводя, если необходимо, дополнительные измерения и запись результатов анализа. Зарегистрированное на диске изображение можно при необходимости распечатать на обычной бумаге с помощью лазерного или струйного принтера. Хороший лазерный принтер может печатать 28 и более точек на миллиметр, однако, в отличие от термовидеопринтера, без возможности изменения полутонов в каждой точке. Получение с помощью лазерного или струйного принтера полутонов серого обеспечивается с помощью меняющегося количества точек в элементе изображения. Чем больше черных точек в элементе изображения, тем более темным является элемент. И наоборот, чем больше светлых точек, тем более светлым получается элемент изображения. Число градаций серого определяется максимально возможным количеством точек. Для 64-х градаций серого требуется 8x8 точек на элемент изображения. В принтере с плотностью печати 28 точек на миллиметр получается 28/8 = 3,5 элемента изображения на миллиметр, что уступает пространственной разрешающей способности термовидеопринтера. Для того чтобы приблизить качество полутонового изображения лазерного принтера к изображению, получаемому с помощью термовидеопринтера, целесообразно увеличивать размер изображения по сравнению с изображением на термовидеопринтере. Рис. 1. Регистрация ультразвуковых изображений на термовидеопринтере (а) и на лазер- ном принтере (б). Например, при размере изображения, получаемого на лазерном принтере, 160 х 118 мм количество элементов изображения будет составлять 560 х 412. На рис. 1 даны изо- бражения, полученные на термовидеопринтере фирмы «Sony» (рис. 1а) и на лазерном принтере (рис. 1 б), по качеству практически не отличающиеся друг от друга. Регистрация на дискетах, жестких или магнитооптических дисках требует включения в состав прибора специальных компьютерных средств, обеспечивающих возможность такого режима. Тем не менее очевидна перспективность применения указанного способа регистрации, несмотря на то, что он приводит к более высокой стоимости прибора. В компьютерных приборах высокого класса методы записи инфор ации на дисках реализуются естественным образом. Однако этот метод может использоваться и в более простых и недорогих приборах. В качестве примера можно привести отечественный компьютеризованный УЗ диагностический сканер «Эхоскан-10», в котором обеспечивается запись изображений на жестком магнитном диске и дискетах 3,5" с возможностью последующей распечатки на лазерном или струйном принтере. 6.3. Архивирование и обработка изображений Архивирование изображений предполагает систематизированный способ записи и хранения большого массива данных с возможностью быстрого поиска любой информации, отображения ее на экране, распечатки на принтере и, если необходимо, передачи данных. Одновременно с изображениями в архив может записываться служебная информация, результаты дополнительных исследований и протоколы, что позволяет создать долговре- менную базу данных пациентов. В архиве может храниться специализированный атлас изображений с необходимой диагностической информацией. В УЗ диагностических системах с высокой степенью компьютеризации задача архивирования может быть решена с помощью специального программного обеспечения и использования средств регистрации на магнитных и магнитооптических дисках. Глава 6 Наиболее совершенные и дорогие УЗ приборы ведущих фирм-производителей («Акусон», «Алока», «Хьюлетт-Паккард», «АТЛ» («Филипс») и др.) создают систему цифрового архивирования и обработки УЗ изображений с очень широкими возможностями. Эти возможности дополнительно могут быть расширены за счет подключения к прибору персонального компьютера или рабочей станции, причем обмен данными между прибором и компьютером осуществляется в цифровом виде. В некоторых приборах (например, «Sequoia» фирмы «Акусон») рабочая станция может быть интегрирована в архитектуру прибора. В современных УЗ приборах высокого класса хранение и передача изображений все чаще осуществляется в международном стандарте DICOM 3.0 (Digital Imaging and Communications in Medicine version 3.0). Стандарт DICOM • решительный шаг в сторону унификации записи и передачи радиологических изображений. К этому стандарту присоединились в настоящее время ведущие производи- тели медицинских средств визуализации, заинтересованные в создании и использовании системы архивирования и передачи изображений [1, 2]. В отличие от приборов высокого класса в большинстве других УЗ приборов отсутствует возможность архивирования большого количества изображений. В этом случае может быть использована специализированная компьютерная система архивирования и передачи изображений, соединенная с УЗ прибором. Общепринятое обозначение для системы архивирования и передачи изображения - PACS (Picture Archiving and Communication Systems). Это общее название может относиться и к достаточно простой компьютерной системе оцифровки и записи изображений, получаемых от диагностического прибора, и к очень сложной разветвленной компьютерной сети, объединяющей медицинские приборы различного вида (рентгеновские и магнитно-резонансные томографы, УЗ и эндоскопические приборы), а также устройства хранения, обработки, передачи и отображения информации [3]. Если имеется в виду компьютерная система, подключенная к УЗ прибору и предназначенная для архивирования, анализа, обработки и передачи получаемых от него изображений, то такая система часто называется автоматизированным рабочим местом (АРМ) врача УЗ диагностики [4]. Аппаратура и программное обеспечение современных АРМ в зависимости от вида системы и предъявляемых к ней требований могут решать следующие задачи. ? Получение и запись в архив УЗ изображений (кадров) с УЗ сканера, а также со средств регистрации (например, с диска и видеомагнитофона). ? Запись в архив данных исследования условий и режимов работы прибора, данных о пациенте, протокола, заключений и т.д. ? Быстрый поиск любой информации в архиве с целью визуализации на экране или распечатки на принтере. ? Просмотр изображений с возможностью внесения пометок, составление описаний и протоколов исследования, в том числе с использованием готовых форм и шаблонов для заполнения. ? Представление изображения в виде, удобном для анализа, и обработка изображения с целью выделения диагностически значимых деталей и особенностей, а также с целью измерения и количественной и статистической обработки результатов измерения. ? Доступ к другим информационным системам медицинского учреждения с целью получения информации, содержащейся в медицинской карте пациента, а также данных от других средств визуализации (магнитно-резонансных, ангиографических, рентгеновских, эндоскопических и др.). ? Возможность передачи изображений и сопутствующей информации в другие медицинские учреждения для анализа и интерпретации. Рассмотрим более подробно, как решаются наиболее важные из перечисленных задач в системах АРМ. Запись УЗ изображения в архив должна осуществляться только в цифровом виде. Возможны два способа передачи информации об изображении от УЗ прибора в АРМ. Первый способ предполагает прямое считывание информации из прибора в цифровом виде по специальной шине. Этот способ является наиболее предпочтительным, так как при этом обеспечивается передача всей информации об изображении без снижения качества. При втором способе информация об изображении поступает в АРМ с видеовыхода УЗ прибора, предназначенного для подключения термовидеопринтера или видеомагнитофона. Этот способ приходится применять в том случае, когда нет возможности получения данных от прибора в цифровом виде. В настоящее время во мно- гих УЗ приборах возможность цифрового считывания пока отсутствует. Поэтому приходится брать информацию с видеовыхода, преобразуя ее в цифровой вид в самой системе АРМ с помощью устройства, которое называется фрейм-грэббер (frame-grabber). Второй способ не позволяет полностью сохранить качество информации вследствие того, что информация по сравнению с первым способом подвергается дополнительному двой- ному преобразованию - сначала в самом УЗ приборе из цифрового вида в аналоговый видеосигнал телевизионного стандарта для отображения на TV-мониторе прибора [5], потом обратно из видеосигнала в цифровой вид с помощью фрейм-грэббера системы АРМ. При этих преобразованиях качество информации об изображении может несколько снижаться, например может уменьшаться динамический диапазон полутонов изоб- ражения. Запись в архив дополнительных данных (условий наблюдения, режимов работы УЗ прибора, данных о пациенте и т.д.) также может производиться двумя способами. При первом способе данные передаются по цифровому каналу, связывающему УЗ прибор с АРМ. Передача данных осуществляется автоматически вместе с передачей изображения. Если цифровой выход в приборе отсутствует, то дополнительные данные исследования могут поступать через видеоканал и фрэйм-грэббер в виде служебной информации, кото- рая находится в кадре изображения. Служебная информация поступает в поле кадра в процессе УЗ исследования на приборе автоматически (дата и номер исследования, режи- мы работы, тип и частота датчика и т.д.) и дополнительно вводится врачом (фамилия или индекс пациента, комментарии к полученному изображению и пр.). Объем информации об исследовании, который может быть помещен в кадре изображения, ограничен, поэтому цифровой способ, безусловно, предпочтительнее второго способа, использующего видеоканал связи. Глава 6 Возможности быстрого поиска информации в архиве, ее просмотра, обработки и выяснения дополнительных данных зависят прежде всего от уровня технических средств АРМ: мощности процессора, объема оперативной памяти, наличия внешних устройств памяти, например магнитных и магнитооптических дисков. При наличии достаточного технического уровня вычислительных средств должно быть развитое программное обеспечение, решающее поставленные задачи. В зависимости от объема и характера задач могут использоваться различные системы, например система архивирования на одном УЗ диагностическом приборе может быть сравнительно недорогой, в то время как система архивирования для нескольких приборов, в том числе не только ультразвуковых, является более сложной и дорогой. Естественно, различно и программное обеспечение для систем, имеющих разное назначение. Программное обеспечение специализированных АРМ в настоящее время в большей мере ориентируется на применение стандарта 01СОМ для обмена и передачи изображений. 6.4. Передача изображений Проблема передачи медицинских изображений имеет место не только при регистрации и архивировании данных УЗ исследований, о чем говорилось выше. Все более актуальной становится задача передачи изображения на большие расстояния для диагностики и консультирования больных, что позволяет эффективно использовать опыт и знания специалистов из ведущих медицинских центров. Передача изображений требуется не только для решения задач диагностики и лечения, но и для целей дистанционного обучения и других целей, например для создания централизованного ар- хива данных и контроля правильности диагностики. Проблема передачи изображений на удаленные расстояния относится к области телемедицины [6, 7]. Для ее решения требуется наличие специальных каналов связи, включающих в себя технические средства для трансляции и приема информации. В реализованных сегодня телемедицинских проектах применяются самые различные каналы связи: телефонные линии, спутниковая связь, Интернет, а также высокоскоростные цифровые каналы связи, отвечающие требованиям международного стандарта на средства телекоммуникаций ISDN (Integrated Service Data Network). Помимо каналов связи необходимо наличие компьютерных систем, поддерживающих стандарты, обеспечивающие в том числе передачу изображений, а также оборудования и специального программного обеспечения для ввода информации в компьютер и последующей ее обработки и хранения. Широкое внедрение теле медицины в развитых странах только начинается, однако процесс этот идет достаточно активно, так что уже сейчас известно много примеров успешной работы теле медицинских систем, обеспечивающих проведение видеоконференций с передачей изображений. В заключение следует подчеркнуть, что технические средства и программное обеспечение для решения задач регистрации, архивирования и передачи изображений непрерывно развиваются, и на пути их развития имеется еще масса проблем, требующих решения. Одна из важных - проблема унификации условий и режимов проведения УЗ исследований. Для корректного анализа и сопоставления полученных изображений важно иметь по возможности постоянные условия наблюдения: разрешающую способность, динамический диапазон, чувствительность, ракурс наблюдения и пр. Перечисленные ха- рактеристики являются функциями многих параметров УЗ прибора: типа датчика, рабочей частоты ультразвука, выставленного уровня усиления, плотности акустических строк, установленных регулировок контрастности, степени усреднения по кадрам, зон фокусировки и т.п. Многие из этих регулировок не фиксируются и не записываются, поэтому при повторении исследований на том же приборе по прошествии какого-то времени они не могут быть установлены точно такими же. Еще больше могут быть отличия в изображениях, полученных на различных приборах, особенно если эти приборы разного класса. Весьма желательным является введение определенных стандартных режимов УЗ исследования, в которых бы устанавливались фиксированные условия наблюдения. Определенные технические предпосылки к этому уже имеются, в частности во многих со- временных приборах введен выбор так называемых предустановок регулируемых параметров (ргеэейпд). Если производители сумеют договориться между собой об одинаковых конкретных значениях параметров в каждой предустановке, то это был бы существенный шаг вперед. К этому следовало бы добавить режим автоматического поддержания максимальной яркости на всех участках изображения и некоторые другие меры. К сожалению, пока работа по унификации режимов получения изображений активно не ведется. Более того, даже одни и те же в принципе режимы работы и параметры регулировки различные фирмы ухитряются зачастую называть по-разному. По нашему убеждению, введение единых стандартов передачи изображений в конечном счете повлечет за собой и выработку требований по унификации условий получения этих изображений. Список литературы 1. Жариков Л.А. Загадочные аббревиатуры (PACS, DICOM, RSNA и другие...) // Меди- цинская визуализация. 1996. № 2. С. 35-40. 2. Емелин И.В. Стандарт электронного обмена медицинскими изображениями DICOM // Компьютерные технологии в медицине. 1996. №3. С. 56-59. 3. Advances in Ultrasound Techiques and Instrumentation / Ed. by Wells P.N.T. N.Y; Edinburgh; L. etc.: Churchill Livingstone Inc., 1993. P. 19. 4. Беликова Т.П. Автоматизированные рабочие места для анализа рентгенорадиологи- ческих изображений // Компьютерные технологии в медицине. 1998. № 1. С. 35-41. 5. Осипов Л.В. Физика и техника ультразвуковых систем (ч. V) // Медицинская визуали- зация. 1998. № 1. С. 28-33. 6. Столяр В.Л. Современные медицинские информационные системы // Компьютерные технологии в медицине. 1997. № 3. С. 54-61. 7. Кербиков О.Б. 189 телемедицинских проектов по всему миру // Компьютерные тех- нологии в медицине. 1997. № 3. С. 74-79.