Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

Київський політехнічний інститут

УДК 621.387.46:616-006.04

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади та системи

Підвищення ефективності телемедичних засобів проведення остеосцинтиграфії

Замятін Денис Станіславович

Київ - 2006

Дисертаця є рукописом

Робота виконана на кафедрі фізичної та біомедичної електроніки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», Міністерство освіти та науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент, Мельник Олександр Степанович, НТУУ «КПІ», м. Київ, доцент кафедри фізичної та біомедичної електроніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Мірошниченко Сергій Іванович, генеральний директор ТОВ «НВО Телеоптик», м. Київ; кандидат технічних наук, Клочко Тетяна Реджинальдівна, НТУУ «КПІ», м. Київ, старший науковий співробітник кафедри виробництва приладів.

Провідна установа: Харківський національний університет радіоелектроніки, кафедра біомедичних електронних пристроїв та систем, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист дисертації відбудеться «10» жовтня 2006 року о 15⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.19 в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37, корп. 12, ауд. №114.

Відзиви на автореферат у двох примірниках, засвідчені печаткою установи, просимо надсилати за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37, Вченому секретарю НТУУ «КПІ».

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий «9» вересня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Швайченко В.Б.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Медицина вимагає точних і досконалих методів обстеження пацієнтів на наявність кісткових метастазів. Єдиним сучасним методом, який дозволяє виявити метастатичні ураження та їх розповсюдженість до початку кісткової деструкції, є остеосцинтиграфія.

Якість отриманого зображення та достовірність його інтерпретації залежить насамперед від програмно-апаратного комплексу, який використовується при обстеженні. Програмна частина такого комплексу дозволяє застосовувати цифрові методи обробки зображення, які автоматизують процес виявлення діагностичних ознак. Між тим, використання таких методів вимагає встановлення параметрів обробки, невірний вибір яких призводить до значних втрат діагностичної цінності зображення. остеосцинтиграфія зображення ущільнення моделювання

Таким чином, головною причиною хибної інтерпретації зображення постає недостатній фаховий рівень лікаря. Для зменшення впливу цього фактору та об'єктивізації результату зазвичай використовується метод консультування хворого декількома фахівцями. Розвиток засобів телекомунікації та обчислювальної техніки на сьогодні дозволяє проводити консультації на відстані у реальному часі за допомогою телемедичних систем.

Телемедичні системи в своїй основі мають фізичні канали передачі інформації, які обмежені певною пропускною здатністю. Сучасний розвиток приладів ядерної медицини характеризується збільшенням розміру матриць зображення та підвищенням попиту на тривимірні зображення. Тому до інформації, що передається, завжди пред'являються жорсткі умови щодо об'єму. Зменшити об'єм зображень під час передачі можливо за допомогою ефективних спеціалізованих алгоритмів ущільнення даних. Можливість застосування таких алгоритмів має бути обґрунтована з точки зору збереження діагностичної цінності.

В програмно-апаратних комплексах сучасних пристроїв для отримання сцинтиграфічних зображень - однофотонних емісійних комп'ютерних томографах (ОФЕКТ) - не завжди наявні засоби телемедичних консультацій, зокрема, в програмному забезпеченні вітчизняних томографів ГКС-301Т «Тамара», «ОФЕКТ-1», які виробляє завод «Орізон» (м. Сміла) такі засоби відсутні.

Таким чином, актуальність розробки засобів телемедичної обробки остеосцинтиграфічних даних обумовлена важливістю своєчасної діагностики метастатичних уражень кісток для вибору тактики лікування онкохворих та недосконалістю програмно-апаратного забезпечення існуючих систем .

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень пов'язаний з науковою тематикою і темами навчального процесу кафедри фізичної та біомедичної електроніки факультету електроніки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут». Дослідження виконувалися в рамках держбюджетної теми 2514 №0102U000655 «Дослідження методів і розробка електронних засобів визначення і моніторингу функціонального стану людини» 01.01.2002 - 31.12.2003, у якій автор брав участь у побудові моделей процесів діагностики та моніторингу.

Мета і задачі дослідження: підвищення ефективності та розширення діагностичної інформативності телемедичного консультування при проведенні остеосцинтиграфії.

Задачі дослідження:

- розробка статистичної моделі процесу генерації зображення в ОФЕКТ;

- створення критерію оцінки діагностичних втрат та на його основі дослідження ефективності застосування існуючих алгоритмів ущільнення зображень до остеосцинтиграм;

- розробка, обґрунтування та впровадження спеціалізованого алгоритму ущільнення остеосцинтиграм за допомогою статистичного моделювання;

- розробка структурно-алгоритмічної організації системи телемедичного консультування.

Об'єкт дослідження: зображення, отримані методом остеосцинтиграфії.

Предмет дослідження: інформативність та об'єм остеосцинтиграфічних зображень.

Методи дослідження: для моделювання процесу генерації зображення використано метод Монте-Карло із застосуванням прикладних аспектів теорії ймовірностей та радіаційної фізики твердого тіла; розробка та оцінка алгоритмів ущільнення базується на методах статистичного та спектрального аналізу; розробка системи телемедичного консультування ґрунтується на методах теорії реляційних баз даних та теорії інформації і кодування.

Наукова новизна одержаних результатів:

- удосконалено математичну модель процесу генерації остеосцинтиграфічних зображень шляхом урахуванням геометрії коліматора;

- на основі статистичного моделювання вперше доведено залежність високочастотної складової просторового Фур'є-спектра зображення та розсіянням гама-випромінювання в речовині;

- розроблено новий критерій оцінки діагностичної інформативності остеосцинтиграфічних зображень, який відрізняється від існуючих тим, що моделює процес інтерпретації зображення лікарем-діагностом;

- доопрацьовано відомий метод ущільнення зображень на основі дискретного косинусного перетворення для класу остеосцинтиграфічних зображень та експериментально доведено можливість його використання.

Практичне значення отриманих результатів:

- реалізовано програмний пакет статистичного моделювання процесу реєстрації остеосцинтиграм, який дозволяє отримати зображення випромінюючого фантому з довільною геометрією та при довільних параметрах детектора, а також проводити оцінку артефактів та впливу оточуючого середовища;

- запропоновано протокол передачі остеосцинтиграфічних даних з можливістю вибору ступеню ущільнення зображення до 60 разів без значних втрат діагностичної якості;

- розроблено серверне програмне забезпечення та структуру бази даних системи телемедичних консультацій, які відповідають вимогам до швидкодії, інформаційної захищеності та медичної етики;

- розроблено клієнтське програмне забезпечення системи телемедичних консультацій, яке дозволяє проводити процедури обробки остеосцинтиграм на локальній робочий станції, є платформонезалежним та має низькі вимоги до апаратного забезпечення.

Теоретичні та практичні результати дисертації впроваджено шляхом використання в клінічних обстеженнях у медичних установах м. Києва з метою ранньої діагностики, визначення поширеності та якості лікування метастатичних уражень кісток, а також у навчальному процесі НТУУ «КПІ» на кафедрі фізичної та біомедичної електроніки і Київської медичної Академії післядипломної освіти ім. П. Л. Шупика на кафедрі радіології.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є узагальненням результатів теоретичних і експериментальних досліджень, проведених автором особисто. У роботах із співавторами здобувачу належить розробка та реалізація алгоритму моделювання детектора ОФЕКТ, статистичне дослідження результатів клінічних обстежень, розробка алгоритму ущільнення остеосцинтиграм, побудова структурної схеми та алгоритму функціонування телемедичної системи.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені в дисертацію, доповідалися на міжнародних конференціях «Проблеми фізичної і біомедичної електроніки» у 2001 р., 2005 р. у м. Києві; «Единое информационное пространство» у 2003 р. у м. Дніпропетровськ; на науково-практичній конференції «Актуальні питання радіохемотерапії в онкології» у 2004 р. у м. Полтава; на ІІ Українському З'їзді фахівців ядерної медицини у 2004 р. у м. Черкасах.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 4 статтях у наукових журналах, у 5 матеріалах міжнародних конференцій і з'їздів.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 126 найменувань і додатку. Робота містить 42 ілюстрації, 16 таблиць. Обсяг роботи складає 126 сторінок тексту.

Автор висловлює щиру подяку за наукові консультації з біомедичної частини дисертації Заслуженому діячу науки і техніки України, доктору медичних наук, професору Мечову Дмитру Сергійовичу.

Зміст дисертаційної роботи

У вступі розкрита важливість досліджень і обґрунтована їхня актуальність, сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи, визначені наукова новизна і практичне значення роботи.

У першому розділі розглянуто показники захворюваності і смертності від злоякісних новоутворень та частоту їх метастазування у кістки, проаналізовано основні інтроскопічні методи діагностики метастатичних уражень кісток; фармокінетику основних радіофармпрепаратів (РФП), які застосовуються для обстеження кісток та принципи їх накопичення; сучасні методи та апаратуру реєстрації інформації про розподіл РФП в біологічному об'єкті; протокол збору даних при остеосцинтиграфії та методи цифрової обробки сцинтиграм, які застосовуються в клінічній практиці; вказано основні причини хибної інтерпретації даних та можливості і шляхи їх усунення.

Жоден з відомих інтроскопічних методів, зокрема ультразвукова діагностика, рентгенографія та комп'ютерна томографія, магнітно-резонансна томографія не дозволяє отримати інформацію про розповсюдженість кісткових уражень у всьому тілі пацієнта за одне обстеження. Винятком є однофотонна емісійна комп'ютерна томографія (ОФЕКТ). Між тим, саме інформація про розповсюдженість процесу відіграє ключову роль у виборі тактики лікування. Ця перевага методу ОФЕКТ, а також можливість виявлення метастазів на ранніх строках, тобто до появлення деструкції кісткової тканини, дає змогу стверджувати, що найбільш ефективним методом діагностики вказаної патології є ОФЕКТ. Це підтверджується алгоритмом пошуку кісткових метастазів, запропонованого Всесвітньою організацією охорони здоров'я.

Оскільки помилкова інтерпретація даних найчастіше обумовлена такими факторами як невисока специфічність методу, відсутність точних анатомо-топографічних орієнтирів, невірно застосовані методи цифрової обробки, ефективним шляхом усунення помилок є залучення додаткових фахівців до процесу консультації та даних, отриманих іншими інтроскопічними методами. Сучасний рівень телекомунікаційних технологій дає змогу проводити віддаленні консультації. Між тим, передача зображень на відстані обмежена можливостями каналів зв'язку, які висувають вимоги до об'єму даних, що передаються. Підвищення ефективності передачі даних можливе за рахунок застосування специфічних алгоритмів ущільнення остеосцинтиграм.

Таким чином, основним напрямком підвищення ефективності та розширення діагностичної інформативності остеосцинтиграм є розробка систем віддаленого консультування. Ефективність такої системи залежить від об'ємів даних, що передаються. Це зумовлює необхідність розробки нових алгоритмів ущільнення сцинтиграфічних даних, які, при достатньо великих коефіцієнтах ущільнення, не зменшували б діагностичну цінність зображень. На основі таких алгоритмів має бути побудований протокол обміну остеосцинтиграфічними даними.

В другому розділі розглядається нова статистична модель реєстрації гамма-квантів за допомогою детектору ОФЕКТ, з урахуванням особливостей розпаду у джерелах гамма-випромінювання; можливих взаємодій гамма-квантів з речовиною, таких, як фотоефект, розсіяння Комптона та когерентне розсіяння; поширення випромінювання у коліматорі гексагональної структури; перетворення гамма-квантів на світло у сцинтиляційному кристалі, а також верифікація моделі.

Генерація сцинтиграфічного зображення залежить від ряду фізичних процесів, які мають випадковий характер. Адекватне урахування таких процесів за допомогою аналітичного опису є неможливим, тому в роботі запропоновано використання статистичної моделі. Алгоритм розробленої моделі складається з послідовних кроків, які описують можливі стани гама-кванту.

Причиною виникнення гама-квантів є розпад, який відбувається за рахунок нестабільності ядер певного радіонукліду. При цьому кількість квантів, які випромінюються в одиницю часу визначаються активністю радіонукліду за розподілом Пуассона:

,

де А - активність, k - кількість випромінених квантів.

Враховуючи ізотропність випромінювання, кути напрямку випромінення кванту у сферичній системі координат можна визначити так:

;

,

де , - випадково генеровані числа з діапазону [0; 1].

Таким чином, для простеження траєкторії окремого гама-кванту було запропоновано подання його параметрів у вигляді вектору:

(x_дж, y_дж, z_дж, б, ц, E, ф),

де x_дж, y_дж, z_дж - координати джерела;

б, ц - кути напрямку;

Е - енергія, яка визначається у відповідності до кількості енергетичних максимумів даного нукліду у складі РФП;

ф - час випромінення відносно певного відліку часу ф₀, який розраховано у відповідності до розподілу Пуассона з урахуванням експоненціального закону розпаду.

Під час поширення гама-квантів у речовині вони можуть брати участь у декількох видах взаємодії, а саме у фотоефекті, розсіянні Компотна, когерентному розсіянні та ефекті утворення пар. В наслідок того, що суттєвий внесок ефекту утворення пар спостерігається при значних енергіях квантів (Е>1 МеВ), які не застосовуються в клінічній практиці, цей ефект в роботі не розглядався.

Імовірність інших видів взаємодій визначається за співвідношенням лінійних коефіцієнтів ослаблення:

м= м_ког+м_компт+ м_фото,

де м_ког - складова когерентного розсіяння;

м_компт - складова комптонівського розсіяння;

м_фото - складова фотоефекту.

Для визначення цього параметру для різних типів речовин було проведено аналіз існуючих бібліотек параметрів розпаду, отриманих експериментальним шляхом та обрано бібліотеку EPDL97 (Evaluated Photon Data Library), розроблену Lawrence Livermore National Laboratory, як найбільш повну та точну.

На основі коефіцієнту лінійного ослаблення для даної речовини можливо розрахувати тип та місце взаємодії за формулами:

,

,

,

де - імовірність розсіяння, відповідно 1- - імовірність фотоефекту;

- імовірність розсіяння Комптона;

d - відстань до точки взаємодії;

d_max - максимальна довжина шляху, відповідно до товщини шару речовини;

- випадкове число з діапазону [0; 1].

Під час фотоефекту відбувається поглинання гама-кванту, що може бути змодельовано шляхом його видкидання. Диференційний переріз розсіювання Комптона, тобто переріз, віднесений до одиниці тілесного кута , описується рівнянням Кляйна-Нішини-Тамма:

,

де - класичний радіус електрона;

E - еннергія кванту до розсіяння, звідки, методом статистичного моделювання може бути визначений полярний кут розсіяння , а енергія після розсіяння дорівнюватиме:

.

Диференційний переріз когерентного розсіяння визначається за формулою:

,

де F (E, Z) - форм-фактор, який визначається експерементально (використано EPDL97) і залежить від енергії E та атомного номера речовини Z, в якій відбувається взаємодія, що також дозволяє змоделювати кут розсіяння. Енергія кванта під час когерентного розсіяння не змінюється.

Особливо важливим при генерації змодельованого зображення є урахування геометрії коліматора, яка вносить значні спотворення, оскільки коліматор ОФЕКТ включає в себе стільникову структуру з гексагональних отворів. Подібна структура може бути змодельована, за допомогою вексельних технологій, але такій підхід припускає зменшення точності моделювання через дискретність подання та значне підвищення вимог до апаратних ресурсів. В роботі запропоновано новий метод визначення характеру речовини, в яку потрапив гама-квант. Метод ґрунтується на розрахунку площ трикутників, які утворюються точкою потрапляння кванта та вершинами найближчих до неї шестикутників септи коліматора:

де (x, y) - координати кванта; (x_і, y_і) - координати i-тої вершини шестикутника.

Якщо розраховане значення дорівнює площі шестикутника септи, квант потрапив у отвір.

Коли взаємодія відбувається в сцинтиляторі, втрачена енергія випромінюється у вигляді фотонів світла. Серед розглянутих видів взаємодій гамма-квантів з речовиною до втрат енергії призводять два види: фотоефект та розсіяння Комптона. У першому випадку енергія втрачається повністю, а в другому - втрата енергії дорівнює різниці енергій між енергіями початкового та розсіяного кванту. Кожний спалах світла в сцинтиляторі реєструється детектором. Для урахування особливостей сцинтиляційних детекторів, отримане значення енергії корегується відповідно до розподілу Гауса. Якщо енергія спалаху проходить амплітудну дискримінацію, то він записується у матрицю зображення.

Розроблені структура та алгоритм статистичної моделі було реалізовано у вигляді програмного комплексу на мові програмування С.

Для верифікації моделі було проведено порівняння змодельованого зображення та зображення, отриманого експериментальним шляхом за допомогою ОФЕКТ Nucletron APEX SP-6, виробництва фірми Elscint (Ізраїль).

В якості експериментального джерела було використано циліндричну ємність об'ємом 1 см³, який було заповнено елюатом технецію-99m активністю 1 МБк. Джерело було розміщено по центру коліматора на відстані 1 м. Для даного джерела була отримана гістограма енергетичного спектра та сцинтиграфічне зображення. Параметри збору були обрані наступні: матриця - 256256; розрядність - 1 байт; кількість імпульсів - 2,5·10⁵; 5·10⁵; 10⁶; енергія - 140 кеВ; вікно - 20%, коліматор - низькоенергетичний, загального призначення, що відповідає умовам збору при остеосцинтиграфії. Результати порівняння зображень наведено у табл. 1.

Таблиця 1. Результати порівняння реального та змодельованого зображення

Критерій	Відносна похибка
Кількість імпульсів	2,5·105	5·105	106
Максимальне значення рахунку	7,8%	5,7%	4,3%
Середнє значення рахунку	4,3%	2,7%	2,4%
Сумарне значення рахунку в квадратній зоні інтересу у центрі	8,7%	6,4%	4,45%
Середнє значення рахунку в квадратній зоні інтересу по кутах	12,31,7%	10,10,9%	8,20,7%
Фотопік	1,8%	0	0
Комптонівський пік	3,6%	1,8%	1,8%
Максимальне по елементне відхилення	11,5%	7,3%	4,7%

Порівняння реального та змодельованого зображення дозволило зробити висновок про те, що модель адекватно описує реальні процеси та може бути застосована для проведення експериментальних досліджень, що дозволяє отримувати сцинтиграфічні зображення з урахуванням внеску кожної складової випромінювання без використання високовартісних фантомів і обладнання та ризику променевого ураження персоналу.

У третьому розділі проведено аналіз можливостей використання існуючих алгоритмів ущільнення зображень для остеосцинтиграм; статистичне моделювання сцинтиграфічного зображення з відокремленням внеску розсіяного випромінювання; на основі спектрально-частотного аналізу зображення показано можливість застосування дискретного косинусного перетворення для ущільнення остеосцинтиграм; розроблено новий спеціалізований алгоритм ущільнення остеосцинтиграфічних зображень з високими показниками якості.

Сучасний розвиток систем ОФЕКТ характеризується підвищенням роздільної здатності детекторів та можливостями роботи з тривимірними томографічними зображеннями, що висуває жорсткі вимоги до каналів зв'язку. Зменшити об'єми даних, що передаються, можливо шляхом використання алгоритмів ущільнення сцинтиграм. Відомі алгоритми ущільнення зображень можна розділити на два класи: алгоритми ущільнення без втрат та з втратами. Перший клас алгоритмів не дозволяє отримати значних коефіцієнтів ущільнення. Використання алгоритмів другого класу пов'язано з небезпекою втрати важливої діагностичної інформації та внесення додаткових артефактів, які можуть привести до хибно позитивних результатів. Наразі не існує ефективних критеріїв втрат діагностичної цінності, оскільки відомі міри якості зображень базуються на оцінці візуальних змін яскравості пікселів. Аналіз відомих критеріїв зміни якості зображення показав, що вони чутливі до спотворення окремих пікселів, тому незначна зміна значень в певному регіоні не буде відображена такими критеріями, але може значно змінити діагностичний результат.

Між тим, аналіз остеосцинтиграм лікарем-діагностом починається з візуального виявлення вогнищ підвищеного накопичення РФП, що супроводжується кількісним порівнянням накопичення в обраному відділі кістяку з симетричною ділянкою. Отже, головним діагностичним критерієм для лікаря є кількість імпульсів у зоні інтересу, а її зміни в процесі ущільнення мають бути мінімізовані. Враховуючи наведене, в роботі запропоновано критерій максимального групового відхилення, який оцінює зміни кількості імпульсів в можливих зонах інтересу:

,

де x_i,j, y_i,j - піксели з координатами (i, j) оригінального та ущільненого зображення відповідно, (l, k) - розміри вікна дослідження. В роботі доказано, що відносну похибку розрахунку коефіцієнту акумуляції РФП можливо виразити через значення коефіцієнту відхилення, що обумовлює можливість використання даного коефіцієнту для урахування втрат діагностичної цінності.

Для оцінки ущільнення пропонується використовувати наступний показник:

де - об'єм початкового зображення;

- об'єм ущільненого зображення.

Для оцінки можливостей алгоритму для класу зображень в роботі використано середнє значення коефіцієнта ущільнення:

де N - кількість оброблених зображень.

Оцінка статистичного розкиду даного показника оцінювалася за значенням середньоквадратичного відхилення:

Для проведення дослідження алгоритмів ущільнення остеосцинтиграм було обрано 150 обстежень, які включали в себе зображення грудного відділу кістяку спереду і ззаду. Зображення було записано у матрицю 256256, розрядність комірки матриці - 1 байт (256 значень), кількість імпульсів - 500000, РФП - пірофосфат, мічений ^99mTc, енергія - 140 кеВ, вікно - 20%. Обстеження проводились на гамма-томографі Nucletron APEX SP-6 (виробництво Elscint, Ізраїль).

Для отримання статистично достовірних даних було проведено селекцію за антропометричними даними. До групи, яка досліджувалась, було обрано пацієнтів віком від 30 років, на зріст від 165 до 180 см та вагою від 55 до 85 кг. Вікові обмеження були обумовлені особливостями розподілу РФП у дітей - в нормі підвищене накопичення РФП в зонах росту. Параметр росту впливає на сумарний об'єм кісткової маси та сечовивідних шляхів, які потрапляють у поле зору детектора. Параметр ваги визначає відношення тканинного фону до зареєстрованого накопичення в кістках.

Результати застосування двох відомих форматів ущільнення з втратами JPEG та JPEG2000 з різними коефіцієнтами ущільнення для обраної групи зображень наведено у таблиці 2 у вигляді середніх арифметичних значень та . Отримані значення вказують на неможливість використання наведених алгоритмів для остеосцинтиграм.

Остеосцинтиграфічне зображення відображає розподіл радіоактивної речовини у біологічному об'єкті, органи якого мають рівномірну, гомогенну структуру. Між тим, реальні зображення містять значну високочастотну компоненту, яка не пов'язана з реальними анатомічними структурами. Для визначення характеру цієї складової в роботі було проведено чисельний експеримент за допомогою розробленого в другому розділі програмного пакету.

Моделювання було проведено за наступною схемою. Було побудовано модель ділянки кістки, яка випромінює гамма-кванти у вигляді кубічного джерела розмірами 111 см та активністю 100 кБк Тс^99m та щільністю кісткової тканини. Джерело було поміщено у біологічне середовище, яке складалося з двох шарів щільності м'язів та жиру. Товщина шарів варіювалася від 0,1 до 1 см з кроком 0,2 см. Відстань від джерела до поверхні детектора - 5 см, параметри накопичення: матриця - 256256; розрядність - 1 байт; кількість імпульсів - 5·10⁵; енергія - 140 кеВ; вікно - 20%, коліматор - низькоенергетичний загального призначення.

Зображення було отримане у вигляді двох окремих матриць. Перша містила лише нерозсіяні кванти, а друга - кванти, які брали участь у будь-якому з типів розсіяння. Для проведення аналізу, отримані матриці були переведені в область частотного спектра за допомогою дискретного косинусного перетворення (ДКП).

Таблиця 2. Параметри ущільнення остеосцинтиграм з застосуванням формату JPEG та JPEG2000

JPEG	2,159	0,087	16,2	0,812
	2,956	0,142	17,84	0,834
	4,375	0,195	22,07	1,133
	6,470	0,311	32,41	1,428
	9,160	0,431	46,75	2,212
	12,128	0,613	76,14	3,456
	17,016	0,759	82,03	4,180
	22,370	1,077	98,27	4,112
JPEG2000	2,475	0,087	13,2	0,740
	25,237	0,142	31,41	1,453
	51,076	2,314	78,19	4,125
	100,934	5,417	130,54	5,421

Попередній аналіз матриць нерозсіяних квантів показав, що абсолютні значення спектральних коефіцієнтів зменшуються в сторону вищих частот (рис. 3). Для кількісної оцінки зображення було визначено параметр n - максимальна за двома вимірами границя квадрату, за межами якого виконувалася умова:

.

При =10^-3, що відповідає оберненню коефіцієнта в 0 при використанні цілочислових матриць квантування, значення n складало 73,95,8, незалежно від параметрів біологічного середовища.

Таким чином, розсіяні кванти, які несуть інформацію не про місце випромінювання, а про місце розсіяння, додають високочастотну складову у зображення, тому її відкидання суттєво не змінить діагностичну цінність зображення.

Отриманий результат для кубічного випромінюючого джерела можна розповсюдити на джерело випромінювання з довільною геометрію використавши правило адитивності спектру.

Використання ДКП для відкидання надлишкової складової остеосцинтиграфічного зображення дозволило отримати наступні параметри ущільнення (табл. 3).

При додатковому ущільненні спектрів зображень з використанням алгоритмів без втрат було отримано наступні результати (табл. 4).

Таким чином, розроблений в роботі спеціалізований алгоритм ущільнення остеосцинтиграм на основі дискретного косинусного перетворення та додаткового ущільнення спектру за алгоритмом Хаффмана дозволив отримати значний коефіцієнт ущільнення (до 60 разів) при незначних втратах діагностичної цінності (коефіцієнт групового відхилення 18,890,83), що значно краще за існуючи універсальні алгоритми. Крім того, запропонований критерій оцінки діагностичних втрат може бути застосований при аналізі будь-яких інших алгоритмів цифрової обробки остеосцинтиграм.

Таблиця 3. Значення параметрів ущільнення при використанні ДКП

Розмір матриці, що залишилася
200200	1,587	0,047	7,82	0,314
150150	2,822	0,114	11,13	0,423
100100	6,349	0,281	16,02	0,764
7575	11,287	0,432	18,89	0,830
5050	25,395	1,078	30,83	1,275

Таблиця 4. Значення коефіцієнту ущільнення для застосування деяких алгоритмів ущільнення без втрат до матриці спектру

Розмір матриці, що залишилася
	Алгоритм Лемпеля-Зіва	Алгоритм Хафмана
200200	4,744	8,443
150150	7,878	14,960
100100	16,818	33,239
7575	9,365	58,192
5050	52,731	124,731

У четвертому розділі розроблено і обґрунтовано структуру телемедичної обробки остеосцинтиграм, яка базується на архітектурі «клієнт-сервер»; розроблено структуру бази даних архіву та алгоритм функціонування серверної та клієнтської частин телемедичної системи.

З урахуванням вимог до сучасних засобів обробки остеосцинтиграм, можна виділити ряд автоматизованих робочих місць для лікаря-діагноста, інженера-радіолога та консультанта. Вимоги до цілісності даних та їх доступності в будь-який момент часу, обумовлюють виділення відокремленого серверу архіву зображень. Використання для передачі даних протоколу HTTP дозволяє інтегрувати розроблену систему до будь-яких наявних TCP/IP-мереж, зокрема до глобальної мережі Internet.

На рис. 4 наведена структура бази даних архіву, яка відповідає вимогам нормалізації. Особливістю бази є відокремлення персональних даних пацієнта від інших. Такий підхід дозволяє знизити вимоги до апаратно-програмного комплексу забезпечення конфіденційності інформації, а також розміщувати дані остеосцинтиграфії в відкритому доступі, наприклад в навчальних цілях. Від структури бази даних також відокремлена база зображень, як найоб'ємніша складова. Завдяки цьому, значно підвищується час відновлення архіву у випадку його втрати. Структура бази даних підтримує також можливість часткового резервування.

Клієнтське програмне забезпечення реалізовано у вигляді набору динамічних веб-сторінок з вбудованим до них інтерактивним Java-аплетом. Використання технології Java дозволило вирішити ряд питань, таких як спрощення процесу залучення до процесу консультування нових фахівців, завдяки кросплатформності та відсутності процесу інсталяції програмного забезпечення; можливість передавання даних у нестандартному форматі, який коректно інтерпретується клієнтом; реалізація інтерактивних функцій обробки зображень.

Розроблений аплет дозволяє завантажувати з сервера потрібне зображення, змінюючи, у разі потреби його якість, та проводити всі стандартні процедури обробки остеосцинтиграм, а саме лінійне контрастування, розфарбовування, згладжування, масштабування, обробка зон інтересу.

Оцінка розробленої системи щодо захищеності від несанкціонованого доступу проводилася відповідно до критеріїв Департаменту спеціальних телекомунікаційних систем та захисту інформації СБУ. Показано, що система реалізує модифікований стандартний профіль:

3.КЦД.2м ={КД-2, КА-2, ЦД-2, ЦА-2,

КО-1, КВ-1, ЦО-2, ДВ-1, ДЗ-2,

НР-2, НИ-2, НК-1, НО-2}.

Таким чином, розроблена система відповідає ряду вимог щодо забезпечення цілісності, доступності та конфіденційності інформації, реалізує новий протокол з ефективним спеціалізованим алгоритмом ущільнення остеосцинтиграфічних даних та дозволяє віддалено проводити всі стандартні процедури обробки остеосцинтиграм.

У додатку подано лістинги програм статистичного моделювання процесу генерації сцинтигрфічного зображення та серверного програмного забезпечення системи телемедичного консультування остеосцинтиграм, а також акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

Висновки

У дисертації виконано теоретичне узагальнення і розв'язання наукової задачі розробки системи телемедичної обробки остеосцинтиграфічних даних завдяки створенню нової статистичної моделі процесу генерації остеосцинтиграм та розробці спеціалізованого ефективного алгоритму ущільнення.

Основні результати дисертаційної роботи:

1. Розроблено статистичну модель поширення та реєстрації гама-квантів одно фотонним емісійним комп'ютерним томографом, яка враховує процеси взаємодії випромінювання з речовиною, зокрема фотоефект, розсіяння Компотна та когерентне розсіяння, яка дозволяє проводити експериментальні дослідження та отримувати сцинтиграфічні зображення. Вперше запропоновано алгоритм урахування геометрії коліматора з гексагональною структурою, який, завдяки запропонованому математичному апарату значно зменшує обчислювальні витрати на обчислення проходження випромінювання крізь коліматор.

Створено програмний комплекс, який реалізує статистичну модель генерації остеосцинтиграфічних зображень та проведено верифікацію моделі шляхом порівняння з зображеннями, отриманими експериментально. Комплекс може бути використано під час експериментальних досліджень, а також для розрахунку ізодозних кривих для променевої терапії.

2. Розроблено критерій оцінки втрат діагностичної цінності при використанні алгоритмів цифрової обробки остеосцинтиграм, який моделює процес інтерпретації зображення лікарем-діагностом.

На його основі проведено експериментальне дослідження та проаналізована можливість застосування найбільш розповсюджених форматів збереження зображень JPEG та JPEG2000 для остеосцинтиграм на матеріалі 150 реальних зображень.

3. За допомогою розробленої моделі побудовано зображення з відокремленою складовою розсіяного випромінювання. Методами спектрально-частотного аналізу обґрунтовано можливість застосування дискретного косинусного перетворення для відкидання надлишкової складової зображення.

Розроблено новий спеціалізований алгоритм ущільнення остеосцинтиграм на основі дискретного косинусного перетворення та додаткового ущільнення спектру за алгоритмом Хаффмана. На матеріалі 150 реальних сцинтиграм показано, що він дозволяє отримати значний коефіцієнт ущільнення (до 60 разів) при незначних втратах діагностичної цінності (коефіцієнт групового відхилення 18,890,83).

4. Розроблено алгоритм та структуру телемедичної системи обробки остеосцинтиграфічних даних, яка реалізує запропонований алгоритм ущільнення та інтерактивні засоби обробки зображень, які зберігаються на віддаленому сервері. Розроблена система відповідає вимогам Департаменту спеціальних телекомунікаційних систем та захисту інформації Служби безпеки України щодо захисту від несанкціонованого доступу.

5. Основні результати роботи впроваджені та апробовані як у клінічній практиці, так і в навчальному процесі НТУУ "КПІ", а саме:

· алгоритм ущільнення остеосцинтиграм та телемедична система - у медичних установах м. Києва;

· модель генерації сцинтиграфічного зображення - у навчальному процесі на кафедрі фізичної та біомедичної електроніки НТУУ "КПІ".

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Мельник О.С., Замятін Д.С. Порівняльний аналіз алгоритмів ущільнення зображень для рентгендіагностики // Электроника и связь. - 2001. - №10. - С. 81-82.

2. Мельник О.С., Замятін Д.С. Концепції створення телемедичної комп'ютерної мережі // Электроника и связь. - 2001. - №12. - С. 33-34.

3. Мельник О.С., Замятін Д.С. Моделювання процесу отримання зображення в емісійному томографі // Электроника и связь. - 2003. - №20. - С. 75-78.

4. Замятін Д.С. Моделюваня сцинтиграфічного зображення випромінюючого прямокутного паралелепіпеда // Український радіологічний журнал. - 2004. - №4 - С. 300-302.

5. Мельник О.С., Замятін Д.С. Аналіз алгоритмів ущільнення остеосцинтиграм методом статистичного моделювання // Электроника и связь. - 2005. - Ч. 1. - С. 106-109.

6. Замятін Д.С. Проблеми застосування методів ядерної медицини у телемедичних системах // Сборник докладов Междунар. науч.-практ. конф. «Единое информационное пространство». - Днепропетровск: УГХТУ. - 2003. - С. 84-85.

7. Мечев Д.С., Щербіна О.В., Крушинський М.В., Полякова Н.І., Іщенко В.П., Фірсова М.М., Замятін Д.С. Поєднана радіонуклідно-медикаментозна терапія хворих на рак грудної залоз з множинними метастазами в скелет // Український радіологічний журнал. - 2004. - №2. - С. 186-188.

8. Бледный Д.В., Голуб А.А., Замятин Д.С., Наливайчук Н.В., Петрашенко А.В. Логическая интеграция обособленных сегментов гетерогенных баз данных // Тези доповідей Міжнародної науково-практичної конференції «Сучасні проблеми і досягення в галузі радіотехніки, телекомунікацій та інформаційних технологій». - Запоріжжя. - 2006. - С. 122-124.

Анотації

Замятін Д. С. Підвищення ефективності телемедичних засобів проведення осетосцинтиграфії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.17 - Біологічні та медичні прилади і системи. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Україна, Київ, 2006.

Дисертація присвячена розробці і дослідженню методів і засобів діагностики метастатичних уражень кісток методами ядерної медицини і спрямована на удосконалення технічного, інформаційного й алгоритмічного забезпечення систем телемедичної обробки остеосцинтиграфічних даних.

Для досягнення поставлених цілей розроблено статистичну модель генерації сцинтиграфічного зображення, з урахуванням всіх видів взаємодій низькоенергетичного гама-випромінювання з речовиною та спектрометричних особливостей сцинтиляційних детекторів. Запропоновано ефективний алгоритм урахування проходження гама-квантів через коліматор з гексагональною структурою.

Розроблено критерій максимального групового відхилення для оцінки втрат діагностичної цінності при цифровій обробці остеосцинтиграм. На основі критерію проведено аналіз можливості застосування відомих алгоритмів ущільнення. За допомогою спектрально-частотного аналізу обґрунтовано можливість використання дискретного косинусного перетворення для відкидання надлишкової складової остеосцинтиграм.

Розроблено та проаналізовано спеціалізований ефективний алгоритм ущільнення остеосцинтиграфічних зображень. На його основі побудовано систему інтерактивної обробки зображень, які зберігаються на віддаленому сервері.

Ключові слова: остеосцинтиграфія, однофотонний емісійний комп'ютерний томограф, статистичне моделювання, ущільнення зображень, телемедичні системи, дискретне косинусне перетворення.

Замятин Д. С. Повышение эффективности телемедицинских средств проведения осетосцинтиграфии. - Рукопись.

Диссертация на на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.17 - Биологические и медицинские приборы и системы. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина, Киев, 2006.

Диссертация посвящена разработке и исследованию методов и средств диагностики метастатических поражений костей методами ядерной медицины и направлена на усовершенствование технического, информационного и алгоритмического обеспечения систем телемедицинской обработки остеосцинтиграфических данных.

Для достижения поставленных целей проведен анализ метода остеосцинтиграфии, как наиболее эффективного метода диагностики метастатических поражений костей. В результате анализа выявлено ряд недостатков, устранение которых возможно в случае применения методов телемедицинских консультаций.

Для проведения анализа изображений разработана статистическая модель генерации сцинтиграфического изображения, которая включает в себя модуль моделирования ядерного распада для данного радионуклида; модуль построения траектории гамма-кванта с учетом всех видов взаимодействия низкоэнергетического гамма-излучения с веществом, а именно: когерентного рассеяния, рассеяния Комптона и фотоэффекта; модуль моделирования спектрометрических особенностей сцинтилляционных детекторов. Предложен оригинальный эффективный алгоритм моделирования прохождения гамма-квантов через коллиматор с гексагональной структурой, который позволяет учесть искажения изображения, обусловленные геометрией коллиматора.

Разработан критерий максимального группового отклонения для оценки потерь диагностической ценности при цифровой обработке остеосцинтиграмм, для которого доказано, что погрешность расчета коэффициента аккумуляции радиофармпрепарата выразима через его значение. На основе критерия проведен анализ возможности использования известных алгоритмов сжатия без потерь и с потерями, а именно алгоритмов JPEG и JPEG2000. При помощи спектрально-частотного анализа показано, что высокочастотная составляющая Фурье-спектра изображения формируется главным образом гамма-квантами, которые участвовали во взаимодействии и не несут существенной информации о распределении радиофармпрепарата. Таким образом, обоснована возможность использования дискретного косинусного преобразования для отбрасывания избыточной составляющей остеосцинтиграмм.

На основе полученных данных разработан и проанализирован специализированный эффективный алгоритм сжатия остеосцинтиграфических изображений.

Разработанный алгоритм был использован в телемедицинской системе обработки остеосцинтиграфических изображений. Предложены структурно-алгоритмические основы построения системы интерактивной обработки остеосцинтиграмм, хранящихся на удаленном сервере, разработана структура базы данных такой системы и алгоритмы функционирования клиентской и серверной частей. В разработке клиентской части и использована технология Java-апплетов, что позволило обеспечить возможность интерактивной обработки изображений и возможность интеграции системы с глобальной сетью Интернет. Показано, что разработанная система соответствует критериям обеспечения конфиденциальности, целостности и доступности информации, регламентированных Департаментом специальных телекоммуникационных систем и защиты информации Службы безопасности Украины.

Ключевые слова: остеосцинтиграфия, однофотонный эмиссионный компьютерный томограф, статистическое моделирование, сжатие изображений, телемедицинские системы, дискретное косинусное преобразование.

Zamyatin D. S. Improvement of distributed bone-scanning systems. - Manuscript.

The thesis for candidate's degree of technical sciences on speciality 05.11.17 - Biological and Medical devices and systems. - National Technical University of Ukraine «Kiev Polytechnical Institute», Kiev, 2006.

The thesis focuses on the development and research of the methods metastatic bone leaks diagnostic by means of nuclear medicine and aims at improvement technical, information and algorithmic supply distributed bone-scanning systems.

For reaching formulated aims the SPECT statistical simulator of generation is developed, with calculating all types of low-energy gamma-interactions. New efficient algorithm of calculation gamma-ray transport in collimator with the hexagonal holes is described.

Maximal Group Criteria is developed to estimate the diagnostic waste by means of digital osteoscyntigram processing. Modern image compressing algorithms is analyzed. By means of spectral analyze using of discrete cosine transformation for scyntigram compressing is describe.

New specialized scyntigram compressing algorithm is developed and analyzed. On its base distributed image processing system is built.

Keywords: bone-scanning, SPECT, statistical simulating, image compressing, distributed systems, discrete cosine transformation.

Размещено на Allbest.ru

...