Информатика. Медицинская информатика
 Скачать 4.4 Mb.
|
|
ТЕМА 8 ОБРАБОТКА БИОСИГНАЛОВ. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ Для медицинской практики, независимо от специфики той или иной об- ласти интересов, диагностическая процедура всегда стоит на первом месте. Другими словами, сначала диагностика состояния организма – определение, что с чем связано и отчего это происходит, а затем некоторое действие, имею- щее определенную цель, так называемое «направленное лечение» или профи- лактика.И, надо признать, что это правильное понимание места и роли диагно- стической процедуры складывалось на протяжении многих поколений исследо- вателей. В связи с тем, что диагностика состояния организма является опреде- ляющим шагом в списке последующих действий, ее роль очень высока. Сего- дня для осуществления диагностических процедур различной направленности и сложности исполнения предлагается огромный перечень методических разра- боток и не менее обширный список аппаратов и технических систем для ис- пользования в области медицины. Телеметрия (греч. tēle – вдаль, далеко + metreō – мерить, измерять) – дистанционное исследование различных процессов, объектов или явлений пу- тем измерения их параметров и передачи этих сведений на расстояние. В медицине телеметрия используется для регистрации и передачи на рас- стояние сведений о состоянии пациента: больной, находящийся вне лечебного или консультативного центра; спортсмен в процессе тренировки; слежение за состоянием здоровья космонавтов, работающих на орбите; контроль физиологических функций организма больного, находящегося в барокамере, кардиологическом или реанимационном отделении и т.д. Если в клинической диагностике основные действия с медицинской аппарату- рой совершаются врачом и медико-техническим персоналом совместно, то при телеметрических процедурах, также составляющих основу диагностики, дейст- вия врача и инженера могут быть разделены. Например, это ярко проявляется в задачах по обследованию состояния пилотов высокоскоростных летательных аппаратов. Закрепленные определен- ным образом датчики регистрации физиологических параметров организма на специальном костюме пилота позволяют вести непрерывное наблюдение за со- стоянием здоровья человека. Создание такой системы сбора медико- биологических данных и ее техническая эксплуатация представляются естест- венной частью общей задачи медицинской диагностики, которую решает науч- но-инженерный персонал. А вот анализ данных и их интерпретация уже будут составлять медицинскую часть этой же задачи. В таком понимании телеметрия выступает как типовое обследование организма человека в целях определения оценки функционального состояния одной из подсистем или всего организма в целом, но исполнение такого обследования проводится с помощью специаль- ных датчиков, обеспечивающих регистрацию биологического сигнала, его пе- 94 редачу по телекоммуникационным каналам связи и анализ в удаленном меди- цинском центре. В этой процедуре только этап анализа данных в какой-то мере может быть доступен врачу. Биоинженерия. В отличие от специалистов по моделированию многие инженеры-биомедики имеют дело непосредственно с биологическими тканями – мышцами, связками, сухожилиями – и даже клеточными мембранами. Чаще всего их работа связана с измерением физических параметров (таких, как проч- ность, жесткость, упругость) или функциональных показателей (электрической активности, количеств выделяемого вещества, осмотического давления в клет- ках и т.п.). Подобные измерения важны не только для фундаментальной науки, они создают основу для практически важных разработок, одним из примеров которых служит искусственное сердце. Одной из интересных тем биоинжене- рии является имплантация или эндопротезирование. Биологический сигнал. Практически во всех задачах телеметрического контроля датчику – регистратору биологического сигнала – уделяется много внимания. От технических характеристик такого датчика, его функциональных возможностей зависит выбор канала передачи данных. Так, если предполагает- ся контролировать состояние биологического объекта на коротком расстоянии, скажем в пределах нескольких метров, то можно использовать как оптический, так и радиоканал передачи данных. Если же расстояние от датчика является ве- личиной переменной и требуется вести контроль состояния объекта на боль- шом от него расстоянии, то наиболее целесообразно использовать радиоканал. Обобщенно, любое электрофизиологическое исследование представ- ляется тремя последовательными этапами: 1) съем; 2) регистрация 3) обработка сигналов биологической активности (биосигналов). Специфические особенности, присущие каждому этапу реализации, определя- ют комплекс требований и ограничений на возможную реализацию остальных. Съем сигнала осуществляется посредством электродов. Биологическим электродом называется устройство, используемое при съеме биоэлектрических потенциалов, имеющие токосъёмную поверхность и выходные элементы. Токосъемная поверхность – часть поверхности электрода, непосредст- венно или через контактное вещество контактирующая с биообъектом и обес- печивающая съем биопотенциалов. В зависимости от участия в съеме биопотенциалов, различают следующие виды электродов: - Потенциальный электрод – отводящий электрод, контактирующий с участком биообъекта, находящимся в электрическом поле исследуемого объек- та. - Нулевой электрод – отводящий электрод, контактирующий с участком биообъекта, в котором электрический потенциал стремится к нулю. 95 - Нейтральный электрод – электрод, не участвующий в съеме биоэлек- трических потенциалов, подключенный к нейтральной клемме измерительного прибора. При съеме и регистрации биосигналов проявляют себя различные поме- хи. Наибольшую погрешность в измерения вносят т.н. аддитивные помехи. Среди них выделяют следующие виды: - Артефакты или случайные помехи. Их причинами может быть био- электрическая активность органов, не имеющая непосредственного отношения к работе исследуемых органов и тканей - Разностные и синфазные помехи – образуются, в первую очередь, как наводки промышленной частоты 50 Гц от сети переменного тока и всегда име- ются в помещениях, где производится регистрация. - Мультипликативные помехи – изменяют параметры контура передачи сигнала, что приводит к случайной модуляции величины полезного сигнала. Связаны в основном с изменениями сопротивления «кожа-электрод», вызван- ными высыханием токопроводящих или физиологического раствора. Мультип- ликативные помехи носят инфранизкий характер и проявляются при длитель- ных исследованиях. Методы электрофизиологических исследований. В зависимости от ви- да органов, биоэлектрическая активность которых изучается, различают сле- дующие основные методы электрофизиологических исследований: Электрокардиография – исследование электрической активности серд- ца; Электроэнцефалография – исследование электрической активности го- ловного мозга; Электромиография – исследование электрической активности мышц; Электроокулография – исследование изменения потенциалов, обуслов- ленных движением глазного яблока. Приведенный перечень может быть существенно расширен, в том числе в направлении изучения групп и даже отдельных клеток живых тканей. При измерении электрических параметров биообъектов их соединяют с измерительной схемой с помощью биоэлектрических электродов. При этом можно выделить: отведение, т.е. зону контакта биообъекта с электродом, электродное контактное вещество (паста, физ. раствор), электрод, отводящие провода. Все используемые отведения можно разделить на: униполярные, биполярные многоэлектродные. - Униполярное отведение позволяет регистрировать биоэлектрическую активность в точке наложения электрода. - Биполярное отведение – оба электрода являются измерительными, и разность потенциалов регистрируется между двумя точками поверхности тела. 96 - Многоэлектродное отведение – в требуемых точках биообъекта накла- дываются две группы электродов, электроды каждой группы соединяются через суммирующие цепи и образуют две ветви отведения. В настоящее время приоритетным направлением развития методологии электрофизических исследований является разработка методов автоматическо- го анализа, оптимальных для решения каждой конкретной задачи. Достовер- ность выделения информативных признаков должна быть ограничена только принципиально неустранимой неопределенностью данных вследствие наличия комплекса помех. Необходимой теоретической основой для решения подобного рода задач является аппарат статистической теории. Медицинские телеметрические системы могут сочетать в себе и другие функции, например контроль состояния технологического оборудования и со- стояние здоровья операторов. Разработка приборов и систем автоматического анализа биосигналов связана с созданием высокотехнологичного программного обеспечения, реализующего современные методы обработки сигналов, распо- знавания образов и искусственного интеллекта. Понятие медицинского изображения. Одним из направлений примене- ния компьютера в медицине является работа с графической информацией. Это направление изучается в специальном разделе медицинской информатики - анализе медицинских изображений. Медицинское изображение предоставляет визуальную информацию о внутренних структурах и функциях человеческого тела. Оно может быть полу- чено радиологическими или нерадиологическими методами. Назначение радиологических методов – сделать доступным для визу- ального восприятия информацию, которая не воспринимается непосредственно зрением. Такую информацию получают с помощью излучения. Это излучение имеет, как правило, электромагнитную природу. Медицинские изображения органов, полученные средствами радиологической диагностики, являются главным источником информации в области здравоохранения. Нерадиологическими методами получают изображения, отснятые ви- деокамерой (эндоскопия) или сфотографированные (микроскопические изо- бражения в гистологии, патологии, дерматологические изображения и т.д.). Эти типы изображений также могут быть переведены в цифровую форму и со временем обработаны. В дальнейшем будем рассматривать преимущественно медицинские изо- бражения, полученные радиологическими методами. Именно поэтому под по- нятием «медицинское изображение» будем понимать доступную зрительному восприятию картину пространственного распределения любого вида излуче- ния, трансформированного в видимую часть оптического диапазона. Медицинское изображение как объект медицинской информатики. Все медицинские изображения, независимо от способов их получения, принадлежат к одной из двух групп: аналоговые и цифровые изображения. К аналоговым изображениям относятся те, которые несут в себе инфор- мацию беспрерывного характера. Например, изображения на рентгенограмме. 97 К цифровым относят изображения, полученные с помощью компьютера. Они имеют в своей основе матрицу, которая содержится в памяти ПК. Таким образом, цифровые изображения, в отличие от аналоговых, имеют дискретный характер. Поскольку в основе цифровых изображений лежит компьютерная технология, они становятся доступными для разнообразной обработки на ЭВМ. Необходимо отметить, что аналоговые изображения могут быть преобра- зованы в цифровые и, наоборот. С этой целью применяют специальные уст- ройства: аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Цифровое изображение формируется путем сканирования электронным лучом. Память дисплейного процессора организована в виде матрицы, каждо- му из элементов которой отвечает свой определенный участок дисплея. Подоб- ная элементарная единица цифрового изображения, которой отвечает зануме- рованный участок памяти, получила название «пиксель». Таким образом, плос- кость экрана представляет собой матрицу - совокупность пикселей. В лучевой диагностике площадь дисплея может формироваться в виде матриц 32х32, 64х64, 128х128, 256х256, 512х512, 1024х1024, 1024х1280 пикселей и выше. Чем на больше число пикселей разбита площадь дисплея, тем выше разрешающая способность системы отображения. Все медицинские изображения в лучевой диагностике могут существо- вать в виде твердых копий - рентгенограмм, отражений на бумаге, фотобумаге; или на магнитных носителях - лентах, дисках; или в нефиксированном виде - на экране дисплея или рентгенодиагностического аппарата. Объекты медицинского изображения можно разделить на твердые фраг- менты (например, кости) и фрагменты, которые могут быть деформированы (например, структуры мягкой ткани); или на статические фрагменты (например, череп) и динамические (например, сердце). Методы получения медицинских изображений. Для получения одно или двумерных медицинских изображений можно использовать: электромагнитное излучение: ультразвук. Методами получения двумерных медицинских изображений являются: цифровая радиология; компьютерная томография; ядерный магнитный резонанс; 2D-ультразвук. Методами и источниками трехмерных изображений являются: последовательность радиологических изображений или томографиче- ское изображение динамического объекта; объемное томографическое изображение части статического объекта. Коротко опишем указанные методики. Рентгенология (обычная радиология) использует ионизирующее излу- чение из источника рентгеновских лучей. Это самый распространенный метод в отделениях радиологии. Изображение получается на рентгенографической пленке, чувствительной к рентгеновским лучам, и может быть впоследствии из этих пленок переведено в цифровую форму. Но можно получить цифровое 98 изображение, минуя стадию рентгенографической пленки - в новых аппаратах, которые вместо пленок используют специальные матрицы. Цифровая ангиография показывает сосуд, убирая из изображений не- желательные структуры (кости и внутренние органы). Исследования проводят в два этапа. Сначала получают изображение перед инъекцией контрастного вещества и переводят их в цифровую форму. Потом они используются для соз- дания маски, которая будет удалена из изображений, полученных после инъек- ции. Компьютерная томографии (КТ) также использует рентгеновские лучи, но вместо одного плоского изображения КГ-изображение восстанавливается компьютером из нескольких изображений, полученных в разных направлени- ях. При ядерно-магнитном резонансе (ЯМР) компьютер восстанавливает изображение от полученных радиосигналов, интенсивность и продолжитель- ность которых зависит от биологических характеристик ткани. Не используя ионизирующую радиацию, ЯМР предоставляет изображение, вид которого за- висит от обмена веществ и характеристик тканей. Ультразвуковое исследо- вание (УЗИ) базируется на акустическом исследовании. Зонд испускает ульт- развуковые волны и получает отражение, которое с помощью пьезоэлектриче- ских кристаллов превращается в электрические сигналы. Сигналы, которые получены от нескольких параллельных каналов, переводятся в цифровую фор- му и обрабатываются, в результате чего получается изображение. Во время сцинтиграфии в организм вводится радиоактивная метка, об- ладающая тропизмом к определенному виду ткани. Испускаемое излучение фиксируется с помощью чувствительной к радиации камеры. Это изображения, захваченные видеокамерой (эндоскопия) или сфотографированные (микроско- пические изображения в гистологии, патологии, дерматологические изображе- ния и т. д.). Все радиологические методики получения изображения могут быть представлены в виде следующей схемы (рис. 8.1). Первый блок в этой схеме – источник излучения. Источник излучения может находиться вне пациента (например, при рентгенологическом и ультра- звуковом исследовании) или может быть введенным в организм (например, при радионуклидных исследованиях). Следующий блок – детектор излучения. Он непосредственно взаимодей- ствует с объектом (пациентом). Его назначение – уловить электромагнитное из- лучение или упругие колебания и превратить их в диагностическую информа- цию. В зависимости от вида излучения детектором могут быть флуоресцентный экран, фото- или рентгеновская пленка, и др. 99 Рис. 8.1. Система образования изображения в радиологических методах диаг- ностики В некоторых системах информационные сигналы из детектора поступают в блок преобразования. Назначение этого блока - повысить информационную емкость сигнала, забрать препятствия («шум»), превратить его в удобный для дальнейшей передачи вид. Потом преобразованные сигналы передаются в синтезатор изображения. Его назначение – создать изображение исследуемого объекта - органа, части те- ла, всего человека. Понятно, при использовании разных методик изображение будет разным. Лучевые исследования планирует и выполняет врач-диагност. Это врач, получивший специальную подготовку в некоторой области лучевой диагности- ки. Его деятельность состоит из приема визуальной информации, ее обработки, интерпретации результатов и принятия диагностического решения. Обработка медицинских изображений. В наше время на смену аналого- вым приходят цифровые медицинские изображения. Переведение в цифровую форму облегчает обработку изображений, хранение и передачу медицинских визуальных данных. Информационные технологии могут помочь на всех этапах получения и обработки медицинских изображений. Компьютеры непосредственно прини- мают участие в создании некоторых типов изображений, которые не могут быть получены другим способом: компьютерная томография, позитронная эмиссионная томография, ядерный магнитный резонанс. Цифровая обработка изображения может использоваться с целью: улучшения качества изображения, компенсации дефектов регистри- рующей системы и уменьшение шума; расчета клинически важных количественных параметров (расстояния, 100 площади, объема, и т.д.); облегчение интерпретации (распознавание структуры, вычисление до- зы для лучевой терапии). Сжатие изображений уменьшает объем памяти для хранения данных и время для их передачи. Хранение цифровых изображений на твердых электронных носителях уп- рощают организацию архивов и доступ к ним. Передача изображений в цифровой форме между лечебными учрежде- ниями позволяет нескольким экспертам быстро консультироваться для приня- тия диагностических или терапевтических решений, и улучшает контроль над лечением пациента. Основные принципы обработки изображений. Обработка и анализ изображений состоит из следующих этапов. 1. Предварительная обработка. Фаза предварительной обработки отстра- няет отклонения, связанные с системой генерации изображения, и уменьшает шумы. Цифровые данные обрабатываются с помощью специальных программ и таким образом улучшают видимость некоторых анатомических структур. 2. Изменение контрастности изображения. Расчет гистограммы изобра- жения создает представление количества пикселей для каждого уровня серого цвета в изображении. 3. Сегментация. Эта фаза обработки изображения изолирует отдельные элементы изображения (органы, клетки и т.д.). 4. Расчет параметров. Расчет линейных и объемных параметров анатоми- ческих образований. 5. Интерпретация изображений. Автоматическая компьютерная интерпре- тация пока еще остается проблемой. Для ее качественного выполнения нужна база знаний из сравнительной и патологической анатомии. Полученные струк- туры и параметры должны быть сопоставимы с известными структурами и классифицированы. Современные тенденции в обработке медицинских изображений включают двумерную и трехмерную обработку с помощью компьютера. Сего- дня актуальным вопросом визуализации является создания баз данных меди- цинских изображений. Одна из таких баз – "visible human project" (http://www.nlm.nih.gov/research/visible/visible_human.html). Цель этого проекта - обеспечить наборы данных для использования при изучении анатомии, прове- дении исследований, для использования в образовательных и диагностических проектах. Конструкция цифровых анатомических атласов и других наборов визу- альных справочных данных требует усовершенствования лучевых методик ис- следования. Обработка двумерных медицинских изображений. Рассмотрим в об- щих чертах наиболее типичные примеры использования вычислительных сис- тем: компьютерную томографию, ультразвуковую диагностику и компьютер- ную фиброскопию. 101 Томографический метод находит все более широкое применение в меди- цинской практике в связи с тем, что в последние десятилетия появляются все новые и новые методы регистрации состояния внутренних тканей организма. Вероятно, что методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР-томография), электрического парамагнитного резонанса (ЭПP-спектроскопия) постепенно будут все более вытеснять метод томографии, основанный на регистрации сте- пени поглощения тканями рентгеновских лучей. Принцип томографии (рис. 8.2) основан на послойной регистрации боль- шого числа лучей, посланных излучателем (1) через исследуемый орган (3) в сторону регистратора излучения (2). На рисунке условно разделены две пары излучатель-регистратор, расположенные в горизонтальной (А) и вертикальной (В) плоскостях. Рuc. 8.2. Иллюстрация принципа съема сигнала при компьютерной томо- графии При прохождении через ткань исследуемого органа лучи неравномерно поглощаются во всех его участках. Предположим, что внутри органа (3) имеет- ся патологический очаг (4). Тогда профили интенсивности лучей, прошедших через орган, будут иметь вид, представленный на схеме справа. Низкая интен- сивность соответствует расположению патологического очага. Наличие двух профилей позволяет точно указать расположение очага в структуре органа. Этап обработки и графического синтеза осуществляется с помощью вы- числительных систем, так как в этом случае обрабатываются огромные масси- вы цифровой информации. Рис. 8.3. Преобразование сигналов при ультразвуковой диагностике (УЗИ) Принцип работы установок для ультразвуковой диагностики (рис. 8.3) во многом аналогичен описанному выше, с той разницей, что речь идет, во- 102 первых, о механических колебаниях ультразвукового диапазона, а во-вторых, этот сигнал не проходит через орган, а отражается от него. Контрольные вопросы 1. Дайте определение понятию «телеметрия» 2. Для чего используется телеметрия? 3. Какими этапами представляется электрофизиологическое исследование? 4. Дайте определение следующим понятиям: биологический электрод; токо- съемная поверхность; потенциальный электрод; нулевой электрод; ней- тральный электрод; артефакты; разностные и синфазные помехи; мультип- ликативные помехи; методы электрофизиологических исследований 5. Что такое медицинское изображение? 6. Какими методами может быть получено медицинское изображение? 7. Что относят к аналоговым изображениям? 8. Что относят к цифровым изображениям? 9. Перечислите методы получения двумерных медицинских изображений 10. Перечислите методы получения трехмерных изображений 11. Какие методы получения одномерных изображений вам известны? 12. С какой целью может использоваться цифровая обработка изображения в медицине? 13. Каковы основные принципы обработки изображений? Задание для самоконтроля Подготовьте мини-доклад об одном из методов электрофизиологических исследований: Электрокардиография; Электроэнцефалография; Электромиография; Электроокулография. Список литературы 1. Медична інформатика і ти. – Режим доступа: http://nmuinform.ucoz.ru/load/11 2. Методика компьютерной диагностики. – Режим доступа: http://oberon- aurum.ru/user-artical-50.php 3. Исаков Р.В., Лукьянова Ю.А. «Моделирование биосигналов и систем» ин- формационный портал по вопросам биомедицинской инженерии. – Режим доступа: http://ilab.xmedtest.net 4. Зозуля Е.П. Методы автоматического анализа биосигналов с хаотическими свойствами для медицинских компьютерных систем : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.11.17. - M, 2010. 5. Kaiser W, Findeis M. Artifact Processing During Exercise Testing // Journal of Electrocardiology. – 1999. – Vol 32, Supplement. – Р. 212-219. |