Общие принципы визуализации медицинских изображений

ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ЛУЧЕВОЙ ДИАГНОСТИКИ

По современным данным с помощью лучевых методов исследования ставится от 60 до 80% всех первичных диагнозов.

Наиболее широко для визуализации непрозрачных и недоступных прямому наблюдению анатомических органов и систем используются электромагнитные излучения. В настоящее время известны электромагнитные излучения с длиной волны от десяти миллиардных долей миллиметра до сотен километров.

Широкая область электромагнитного излучения (0,001-10 нм) принадлежит рентгеновским лучам. Рентгенодиагностика – распространенный вид медицинской интроскопии. В настоящее время в медицине с помощью рентгеновских лучей получают около 90% всех визуализируемых изображений.

Рис. 1.1. Схема получения изображения в медицинской радиологии.

Электромагнитное ионизирующее излучение, создаваемое радиоактивными веществами, называется гамма-излучением. Радиоизотопная диагностика, которая основана на визуализации изображений, формируемых гамма-квантами радионуклидов, широко применяется при функциональных исследованиях, диагностике ряда заболеваний.

Большие возможности содержат в себе резонансные эффекты, наблюдаемые в веществе – ядерный магнитный резонанс.

Широкое применение в медицине нашло звуковидение – совокупность методов и средств для получения оптического изображения ультразвукового поля, возникающего в результате взаимодействия упругих акустических волн и объекта. По периодам волн от 1 мм до 10 км ультразвук совпадает с радиодиапазоном.

Любое изображение приобретает смысл в результате его анализа зрительной системой и последующей интерпретации на основе сведений о характере взаимодействия физического поля и изучаемого объекта (рис.1.1).

В актах визуализации и анализа полученного изображения участвуют исследуемый объект, который модулирует параметры визуализируемого физического поля, система визуализации изображения и зрительный анализатор наблюдения (врача, оператора). Эта схема не соответствует радионуклидной визуализации, при которой источник гамма-излучения (радионуклиды) находится внутри тела человека.

Прошедшее отражение или испускаемое исследуемым объектом излучение промодулировано по одному или нескольким параметрам свойствами исследуемого объекта и содержит определенную информацию о нем. Пространственное распределение поля излучения объекта преобразуется устройством визуализации в аналогичное пространственное распределение светового потока, яркость или цвет которого изменяется от элемента к элементу изображения в зависимости от модулированных объектом параметров поля. Важно подчеркнуть, что при любом способе преобразования невидимого изображения в оптическое последнее не может содержать больше информации об объекте исследования, чем исходное изображение, сформированное в невидимом физическом поле. Входное и выходное изображения систем визуализации характеризуется следующими информативными параметрами: геометрическими размерами, детальностью, резкостью, подвижностью, контрастом, интенсивностью в белом (черном), отношением сигнал/шум и спектром (цветом) деталей изображения.

Рентгеновское и гамма-излучения являются наиболее распространенными видами излучения, при помощи которых получают световые изображения в медицинской диагностике. Получение световых изображений можно описать с помощью цепочки преобразований вида

g_f®g_n - hv₁®hv_n, где

g_f – кванты рабочего пучка излучения источника; g_n – кванты радиационного изображения, т.е. изображения, сформированного излучением в результате взаимодействия рабочего пучка с ослабляющей средой; hv₁ – фотоны (кванты), конвертируемые первичным преобразователем “ионизирующее излучение - свет”; hv_n – фотоны изображения, непосредственно воспринимаемые глазом человека.

Лучевое изображение в большинстве случаев представляет собой карты интегралов коэффициентов изменения излучения изучаемой средой, которые зависят от ее химического состава и физического состояния. В лучевых изображениях, в основном, представлена морфологическая информация. Например, рентгеновский снимок грудной клетки дает в большинстве случаев информацию об анатомическом строении органов человека. Однако в части изображений содержится информация о физиологическом состоянии органов человека. Так, если пациент вдыхает воздух, содержащий нуклид ¹³³Хе, то в этом случае вариации распределения нуклида в легких будут давать информацию о пространственных характеристиках воздушного потока в легких. Указанное распределение может быть визуализировано при помощи гамма-излучения, испускаемого ксеноном.

Как и любую систему передачи информации, систему лучевой диагностики можно представить в виде пространственно-временного фильтра, составленного из нескольких каскадов:

1. Каскада генерации излучения (рентгеновская трубка, радионуклид, пьезоэлектрический кристалл, источник радиоволн в магнитном поле);

2. Каскада модуляции, который представляется пространственно-временной неравномерностью исследуемого объекта;

3. Каскада детектирования (канала регистрации лучевого изображения);

4. Каскада преобразования в световое изображение и его диагностической оценки.

Представленным выше каскадам соответствуют процессы:

1. Генерация излучения,

2. Его взаимодействие с органами пациента,

3. Формирование лучевого изображения, преобразование последнего в световое,

4. Просмотр светового изображения и его профессиональная оценка.

Первые три процесса имеют физико-технический смысл, хотя некоторые из них связаны с физиологическими функциями органа или анатомической системой пациента; четвертый, помимо физических проблем, включает и физиологические, связанные со зрительным аппаратом лучевого диагноста. Пятый процесс – чисто профессиональный – заключается в том, чтобы из всего многообразия отображенных деталей в световом изображении выделить необходимые, руководствуясь опытом и знанием других клинических данных, поставить правильный диагноз.