Физика ядерной медицины
 Скачать 9.62 Mb.
|
Список литературы
Глава 5. Получение изображений в гамма-камерахС приходом мощной компьютерной техники в клиническую ядерную медицину компьютерная обработка (процессинг) сцинтиграмм стала обычной практикой. Компьютерные технологии обработки изображений используются для выполнения множества разнообразных задач, некоторые из которых включают выбор области интереса, генерацию динамических кривых время-активность, интерполяцию для улучшения изображений, алгебру визуализации и фильтрацию изображений и др.
Изображения, поступающие от гамма-камеры в компьютер, подвергаются существенному преобразованию. Из аналоговой формы они в специальных конверторах переводятся в цифровую форму, сегментируются в прямоугольные числовые матрицы, оперативно запоминаются в памяти компьютера, откуда они могут быть быстро извлечены, обработаны и визуализированы на дисплее.
Преобразование сигналов, поступающих от гамма-камеры, из аналоговой формы в цифровую производится специальными устройствами, называемыми аналогово-цифровыми конверторами (АЦК, англ. ADC), а сам процесс называется дискретизация или оцифровка. В отличии от аналоговых сигналов, являющихся непрерывными во времени, оцифрованные сигналы состоят из фиксированного числа бит, образованных АЦК с помощью выборки определенного числа временных точек в аналоговом сигнале. В продаже имеются 8-, 10, 12 и 16-битовые АЦК. В то время как аналоговый сигнал может быть искажен электронным шумом, оцифрованной форме свойственна потеря части информации как результат дискретизации, т. е. вследствие различного выбора временных точек во время конверсии. Однако высокобитовые конверторы минимизируют эти потери.
Оцифрованное изображение представляет собой прямоугольный массив или матрицу чисел, находящегося в памяти компьютера. На рис. 5.1 показывается взаимосвязь между матрицей и изображением. Отдельный элемент матрицы называется "пикселем" (минимально возможный элемент изображения) для элемента растра. Так как томографические изображения соответствуют срезам через объем пациента, то здесь название пиксель изменяется на "воксель" для элемента объема. Размер матрицы и число пикселей в каждом ряде и столбце всегда известны и однозначно связаны.  Рис. 5.1. Пример оцифрованного изображения при диагностике сердца. Число отсчетов в каждом пикселе генерируют интенсивность сигнала в соответствующей локализации [1] Пиксель представляет область с небольшим поперечным сечением в изображении камеры (рис. 5.2,а), определяемым полем зрения камеры (англ. FOV) и размерами матрицы изображения. Чаще всего они имеют форму квадрата. Для круговой гамма-камеры с 384-мм диаметром FOV и 64 × 64 квадратной матрицей размер стороны пикселя 6 мм и площадь 36 мм2. Для 128 × 128 квадратной матрицы сторона пикселя равна 3 мм и площадь поперечного сечения 9 мм2.  Рис. 5.2. Деление цифрового изображения зрения гамма-камеры на небольшие прямоугольные пиксели (а) и пространственное разрешение цифрового изображения, измеряемое в миллиметрах на линейную пару (б) [1] Каждый пиксель соответствует определенной локализации в детекторе. X-, Y- импульсы, поступающие от гамма-камеры, тоже оцифровываются и запоминаются в соответствующем пикселе матрицы. Количество импульсов, запоминаемое в пикселе, зависят от глубины пикселя, которая может быть представлена байтом или словом. Для байта (28) глубина составляет 256 событий, а для слова (216) глубина равняется 65536 событий (или отсчетов). Опция "увеличение" может применяться только к отдельным участкам, но не к целому изображению. При коэффициенте увеличения "2" сторона пикселя для 64 × 64 матрицы изображения станет равна 3 мм. Размер пикселя определяет пространственное разрешение оцифрованного изображения. Самый маленький объект, представленный в изображении, занимает пространство в один пиксель. Чтобы наблюдать два таких объекта, они должны быть разделены, по крайней мере, одним пикселем (рис. 5.2,б). Такая пространственная комбинация объектов, называемая линейной парой, часто применяется для характеристики пространственного разрешения системы визуализации. Таким образом, разрешение в единицах линейной пары равно двойной ширине пикселя. Внешнее (или геометрическое) пространственное разрешение системы гамма-камеры однозначно определяет скорость выборки, требуемой для того, чтобы изображение не ухудшалось при преобразовании в цифровую форму. Пространственное разрешение системы гамма-камеры специфицируется в терминах FWHM (ширина на половине высоты) функции расширения. Экспериментальные данные свидетельствуют, что для того, чтобы избежать потерь при дискретизации, ширина пикселя должна быть меньше одной трети FWHM [2]. Стандартная система гамма-камеры с низкоэнергетическим коллиматором высокого разрешения при визуализации распределения 99mTc в костях имеет FWHM = 8 мм. Следовательно, размер пикселя в этом случае должен быть меньше 2,67 мм. Чтобы соответствовать таким требованиям гамма-камера с 384-мм FOV должна иметь 256 × 256 матрицу изображения, размер пикселя при этом будет 1,5 мм.
X-, Y-сигналы, получаемые при исследовании сцинтиграмм в ЯМ, преобразуются АЦК в цифровую форму и запоминаются в компьютере одним из двух способов: а) фреймовый (рамочный) вид (мода) (рис. 5.3,а); б) листинговый (списочный или табличный) вид (рис. 5.3,б);. Наиболее распространенным способом в ЯМ является фреймовый. Он широко применяется в статических, динамических, управляемых, а также ОФЭКТ исследованиях. Во фреймовой моде размер матрицы подбирается так, чтобы аппроксимировать всю площадь детектора. Позиция события взаимодействия фотона в детекторе соответствует положению пикселя в матрице. При поступлении нового сигнала с координатами X, Y он добавляется к уже данным, хранящимся в выбранном пикселе. В листинговой моде оцифровнные X-, Y- сигналы кодируются дополнительно временными метками и запоминаются в той последовательности, в которой они прибывают от АЦК. После завершения процедуры анализа поступившие данные сортируются и визуализируются на дисплее в запрашиваемом виде.  Рис. 5.3. Два способа сбора и запоминания событий взаимодействия фотонов в детекторе: а) фреймовая (рамочная) мода; б) листинговая мода Размер матрицы компьютерного дисплея определяет полное число пикселей, которые могут быть высвечены на экране дисплея. Промышленность предлагает матрицы все большего размера (сейчас уже есть матрицы с размером, большим, чем 1280 × 1024). Площадь большого дисплея возможно разделить на отдельные изображения, меньшего размера. Например, на площади дисплея с числом пикселей 1280 × 1024 можно одновременно разместить 20 изображений размером 256 × 256 пикселей. Такой способ бывает особенно полезным при некоторых динамических обследованиях.
При статическом исследовании проводится сбор данных с одного ракурса области интереса, при этом обычно применяется фрейм мода. Размер матрицы выбирается перед исследованием и зависит от размера поля обзора и размера пикселя, обеспечивающего требуемое разрешение. Как правило, достаточным оказывается размер пикселя в 2 – 3 мм. Из-за высокой плотности счета в статических полях обзора накапливание данных в байт-моде может привести к переполнению отдельного пикселя, поэтому предпочтительнее является слово-мода. Полное количество отсчетов, собираемое на все изображение, зависит от размера области интереса и контраста по отношению к фону. Большие и высококонтрастные объекты легко обнаруживаются при небольшой плотности счета, в то время как для небольших и низкоконтрастных объектов требуют для своего распознания большой статистики.
При динамических обследованиях получают серию изображений (фреймов), каждое из которых набирается определенное время, устанавливаемое оператором. Позиция пациента во время сбора данных остается постоянной, размер же матрицы и скорость получения фреймов может изменяться. Набор данных для очередного фрейма при необходимости сопровождается переводом предыдущих фреймов во внешние накопители. Выбор скорости фреймов зависит от кинетики РФП в органе интереса. Размер матрицы, выбираемой при динамических обследованиях, обычно составляет 64 × 64 или 128 × 128. Так как число отсчетов на один фрейм при динамических обследованиях невелико, то накапливание данных в пикселях обычно проводится в байт-моде.
Ждущий режим был впервые введен в середине семидесятых годов прошлого века для определения выделяемой сердцем фракции с помощью набора двух изображений, одно к концу диастолы и другое к концу систолы. Позднее эта методика была заменена непрерывным набором данных в режиме многократных последовательных изображений (англ. multiplegatedacquisition (MUGA)) в каждом сердечном цикле с ожиданием (открытие и закрытие входа гамма-камеры) между последовательными циклами. В MUGAобследовании данные набираются синхронно с R-волной сердечного цикла. Для полноценного обследования этим методом необходимо, чтобы сердечные биения были регулярными, иначе данные искажаются от одной R-волны до другой. В настоящее время созданы специальные программы, отбрасывающие "плохие" сердечные биения.
Большинство поставщиков оборудования разрабатывают свое программное обеспечение, собственником которого они являются, предназначено оно для работы конкретно с их аппаратурой. Использование подобных программ на аппаратуре другого производителя, как правило, встречает большие трудности. В результате пользователь оказывается привязанным к продукции одной фирмы. Для преодоления этой сложной проблемы Американский колледж радиологии (англ. ACR) и Национальная электрическая комиссия США (англ. NEMA) совместно спонсировали разработку стандартного формата для программного обеспечения, получившего название "Цифровые изображения и передачи данных в медицине" (англ. "DigitalImagingandCommunicationsinMedicine" (DICOM)). Этот формат был рекомендован всем производителям медицинского оборудования для совместимости различных программных продуктов. Различные стандарты формата DICOM включают запоминание и хранение изображений, протоколы для транслирования данных между рабочими станциями и PACS (см. ниже), запрос и извлечение визуализационных данных, распечатывание и составление графика набора данных. Периодически NEMA проводит совершенствование этого универсального формата. Современные компьютерные сети предоставляют огромные возможности для обмена информацией как между физическими, так и юридическими лицами. Особенно полезно это для организаций здравоохранения в плане обмена информацией о пациентах между врачами и клиниками. Один из видов компьютерных сетей, внедренных в здравоохранение называется "Архивация изображений и система коммуникации" (англ. "Picture Archiving and Communication System" (PACS)). PACS состоит из устройств для создания и электронного хранения цифровых изображений, рабочих станций для просмотра и интерпретации изображений и сети из этих устройств, расположенных в разных местах. Когда PACS не существовало, специалисты могли изучать изображения, имеющиеся только в их учреждении, и не имели возможности пересылать их в электронном виде из организации в организацию. В состав PACS входят локальные сети: RIS (радиологическая информационная система), предназначенная для информационной поддержки всех процедур в радиологических отделениях; и HIS (информационная система госпиталя), поддерживающая все информационные потоки в госпитале (клинике), включая демографические данные, результаты анализов, истории болезни, фармакологические данные, различные планы и графики, отчеты и финансовые документы. Примерная структура PACS показана на рис. 5.4.  Рис. 5.4. Пример структуры PACS, включая RIS и HIS |