Обзор информационных систем визуализации мед информации

1. MeVisLab (2004/2007, Германия, [1])

MeVisLab представляет собой платформу для обработки изображений исследований и развития с акцентом на медицинской визуализации. Она позволяет быструю интеграцию и тестирование новых алгоритмов, разработку прототипов приложений, которые могут быть использованы в клинических условиях.

MeVisLab включает в себя передовые медицинские модули визуализации для сегментации, регистрации, волюметрии и количественного морфологического и функционального анализа. Несколько клинических прототипов было реализовано на основе MeVisLab, в том числе программное обеспечение для помощи в нейро-визуализации, динамическом анализе изображений, операции планирования и анализа сосудов.

MeVisLab используется в широком спектре медицинских и клинических исследований, в том числе планирование операции на печени, легких, голове, шее и других областей тела; анализ динамики, контрастность расширения груди и предстательной железы на снимках, полученных с МРТ, количественный анализ неврологических и сердечнососудистой серии изображений. MeVisLab также используется в качестве учебного и тренировочного инструмент для обработки изображений (как общих, так и медицинских), а также методов визуализации.

Реализация MeVisLab использует ряд известных библиотек и технологий, главным образом структуру приложений Qt, визуализацию и взаимодействия инструментальных средств Open Inventor, скриптовый язык Python, а также графический стандарт OpenGL.

Обзор возможностей:

· Основные алгоритмы обработки изображения и передовые медицинские модули визуализации

· Полнофункциональная, гибкая визуализация 2D/3D и взаимодействие инструментов

· Высокая производительность для больших наборов данных

· Модульные, расширяемые C + + библиотеки обработки изображений

· Графическое программирование сложных иерархических модульных сетей

· Объектно-ориентированный графический интерфейс определения и сценариев

· Полные функциональные возможности сценариев с использованием Python и JavaScript

· Поддержка DICOM и интеграция PACS

· Интуитивно понятный пользовательский интерфейс

· Кросс-платформенная поддержка для Windows, Linux и MacOS X

· Доступна версия для 64-битных операционных систем

2. 3D-DOCTOR (1998/2008, США, [2])

3D-Doctor является передовой программой для 3D-моделирования, обработки изображений для измерений, снятых с МРТ, КТ, ПЭТ, микроскопии, научных и промышленных применений визуализации.

3D-ДОКТОР создает 3D модели поверхности и 2D сечения изображения в реальном времени на вашем компьютере.

3D-ДОКТОР одобрен FDA (Американская организация, контролирующая продовольствие и медикаменты) для медицинской визуализации и 3D-приложений. Она была названа Лучшей программой 3D обработки изображений на научной конференции посвященной вычислениям и приборостроению «Magazine» в 2002 году, а в 2000 году попала в ежегодный выпуск технологических лидеров.

3D-ДОКТОР в настоящее время используется в ведущих больницах, медицинских учебных заведениях и научных организациях по всему миру. 3. MultiVox DICOM Viewer (1999, Россия, [3])

MultiVox предназначена для автоматизации работы службы лучевой диагностики медицинских учреждений в целом и/или отдельных подразделений и кабинетов при профилактических и диагностических обследованиях, проведении углубленных и научных исследований, планировании хирургических вмешательств. АРИС MultiVox является (RIS/PACS) системой, полностью разработанной и выпускаемой в России.

В трехмерном режиме МРС обеспечивает:

· изометрической проекции 3D-изображения в градациях серого при полной отрисовке или с использованием метода проекции максимальной интенсивности;

· изометрической проекции 3D массива и сегментированных объектов в псевдоцветах с возможностью включения / выключения визуализации отдельных объектов и с возможностью наложения текстуры (градаций серого);

· измерение объемов сегментированных объектов

· удаление/редактирование сегментированных объектов полупрозрачное представление серошкального массива с раскрашиванием псевдоцветами;

· полупрозрачное представление сегментированных объектов;

4. 3D slicer 4.0 (2011, США, [4])

3D Slicer распространяется бесплатно с открытым исходным кодом (лицензия BSD), и представляет собой гибкую, модульную платформу для анализа изображений и визуализации. 3D Slicer может быть легко расширен для развития интерактивных и пакетных инструментов обработки для различных приложений.

3D Slicer обеспечивает регистрацию изображений, обработку DTI (диффузионная трактография), интерфейс для внешних устройств, GPU с поддержкой объема, наряду с другими возможностями. 3D Slicer имеет модульную организацию, которая позволяет легко добавлять новые функциональные возможности и предоставляет ряд общих возможностей, не доступных в конкурирующих инструментах.

Интерактивные возможности визуализации 3D Slicerа включают в себя возможность отображения произвольно ориентированных кусочков изображения, создание поверхности и высокую производительность визуализации объема. 3D Slicer также поддерживает широкий набор аннотаций

Slicer составлен для использования на различных платформах, включая Windows, Linux и Mac OS X. 5.Drishti 2.0 (2004, Австралия, [5])

Drishti (что означает «видение» или «понимание» на санскрите) является мульти-платформу с открытым исходным кодом исследования объема и презентация инструмента. Она была написана для визуализации данных томография, электронно-микроскопических данных и так далее. Он призван облегчить понимание набора данных.

Он был использован в CSIRO для различных целей, таких как объемный визуализации различных данных компьютерной томографии.

Drishti предоставляет ряд возможностей, которые могли бы потребовать нескольких отдельных программ визуализации объема или которые просто не доступны вместе в других программах, а именно:

· 2D функции передачи (или справочные таблицы): В дополнение (или вместо) границы, Drishti позволяет пользователям применять функции передачи по «плотности» или «значению», а также градиент.

· отсечение: удалить некоторые области пространства с набором данных.

6 VTK (1993/2005, США, [6])

Visualization Toolkit (ВТК) имеет открытый исходный код, является программным обеспечением в свободном доступе, предназначен для 3D графики, моделирования и обработки изображений, научной визуализации и визуализации информации.

ВТК также включает в себя вспомогательную поддержку 3D виджетов взаимодействия, двух-и трехмерных аннотаций и параллельных вычислений. По своей сути ВТК реализован как инструментарий на C + +,, требующий от пользователей комбинирования различных предметы в приложении.

1.4 Оценка аналогов информационных систем основанных на нейронных сетях.

В качестве аналогов выбраны существующие системы, общей составляющей которых является возможность построения визуализированных моделей на основе медицинских данных. Оценка этих систем осуществляется по ряду критериев имеющих непосредственную значимость при разработке информационной системы.

Выбор критериев оценки

1. Область применения (ОП) – функциональная составляющая системы оценивающая возможность ее использования для различных задач, решение которых необходимо для достижения поставленных по проекту целей.

2. Цена (Ц) – стоимость программного комплекса и оценка формата оплаты продукта.

3. Основные параметры и характеристики (ОПиХ)

1. Поддержка 3D визуализации (ПВ) – наличие\отсутствие возможностей построения многомерных моделей.

2. Поддержка диаграмм (ПД) – функциональный ассортимент инструментов для представления данных в виде диаграмм, гистограмм и прочих визуальных схематических элементов.

3. Возможность вносить изменения в изображение (ВИ) – наличие функционала по обработке изображения с целью оптимизации интересующих параметров.

4. Поддержка разных операционных систем (ПОС) – наличие кроссплатформенности для конкретного программного продукта.

4. Отличительные особенности (ОО)

1. Понятный пользователю интерфейс (ПИ) – оценка функциональности интерфейса и его восприятия целевой группой.

2. Наличие демонстрационных материалов для обучения (ДМ) – наличие и качество различных баз знаний и примеров

3. Понятность снимка пациенту (ПС) – оценка визуальной понятности моделей генерируемых системой.

4. Наличие русификатора (НР) – оценка перевода и его качества.

5. Открытость кода (ОК) – оценка возможности разработки самописных надстроек и элементов системы.

Таблица 1 Матрица попарного сравнения критериев

	ОП	ОПиХ	ОО	Ц	ОК	Сумма коэффициентов по строкам	Весовые коэффициенты
ОП						29,00	0,28
ОПиХ	1/2					22,5	0,25
ОО	1/8	1/6				11,29	0,19
Ц	1/9	1/7	1/4			4,50	0,14
ОК	1/9	1/8	1/6	1/3		1,74	0,14
Всего:	-	-	-	-	-	41.29

Таблица 2 Матрица попарного сравнения критериев для ОПиХ

	ПВ	ПД	ВИ	ПОС	Сумма коэффициентов по строкам	Весовые коэффициенты
ПВ					12,00	0,40
ПД	1/2				10,50	0,35
ВИ	1/3	1/4			5,58	0,20
ПОС	1/6	1/5	1/4		1,61	0,05
Всего:	-	-	-	-	29,69

Таблица 3 Матрица попарного сравнения критериев для OO

	ПИ	ДМ	ПС	НР	Сумма коэффициентов по строкам	Весовые коэффициенты
ПИ						0,42
ДМ	1/2				12,5	0,33
ПС	1/4	1/3			8,58	0,22
НР	1/9	1/8	1/7		1,38	0,03
Всего:	-	-	-	-	38,46

Шкалы оценок по критериям:

Любая оценка критериев принадлежит отрезку [0; 1].

	1,	если оцениваемая программа универсальная
I_оп =	0.5,	если оцениваемая программа «полуспециализированная»
	0,	если оцениваемая программа специализированная

I_оп — оценка по критерию «область применения»

	1,	если оцениваемая программа бесплатная
I_Ц =	0.5,	если оцениваемая программа условно бесплатная
	0,	если оцениваемая программа платная

I_{Ц —}оценка по критерию «цена»

	1,	если оцениваемая программа поддерживает 3D визуализацию
I_пв =
	0,	если оцениваемая программа не поддерживает 3D визуализацию

I_пв — оценка по критерию «поддержка 3D визуализации»

	1,	если оцениваемая программа поддерживает диаграммы
I_пд =
	0,	если оцениваемая программа не поддерживает диаграммы

I_пд — оценка по критерию «поддержка диаграмм»

	1,	если оцениваемая программа поддерживает внесение в снимок изменений
I_ви=
	0,	если оцениваемая программа не поддерживает внесение в снимок изменений

I_ви — оценка по критерию «Возможность внесения изменений»

	1,	если оцениваемая программа универсальная
I_пос =	0.5,	если оцениваемая программа поддерживает любые две ОС
	0,	если оцениваемая программа специализирована под одну систему

I_пос — оценка по критерию «Поддерживание различных операционных систем»

	1,	если оцениваемая программа имеет открытый код
I_ок =
	0,	если оцениваемая программа имеет закрытый код

I_пос — оценка по критерию «Открытость кода».

Оценка аналогов

Таблица 4 Матрица оценок

	ОП	Ц	ОК	ОПиХ	ОО
ПВ	ПД	ВИ	ПОС	ПИ	ДМ	ПС	НР
MeVisLab								0.6
3D-DOCTOR								0.3	0.8
MultiVox DICOM Viewer		0.5						0.4	0.6
3D slicer							0.5	0.5	0.5
Drishti	0.5							0.4	0.7
VTK								0.4	0.6

Таблица 5 Матрица взвешенных оценок

	ОП 0,28	Ц 0,14	ОК 0,14	ОП 0,28	ОО 0,19	Интегральная оценка
ПВ 0,40	ПД 0,35	ВИ 0,20	ПОС 0,05	ПИ 0,42	ДМ 0,33	ПС 0,22	НР 0,03
Весовые коэффициенты	0,28	0,14	0,14	0,10	0,087	0,05	0,013	0,079	0,063	0,042	0,006
MeVisLab	0,28	0,14	0,14	0,10	0,087	0,05	0,013	0,047	0,063	0,042		0,962
3D-DOCTOR	0,28			0,10	0,087	0,05		0,024		0,034		0,575
MultiVox DICOM Viewer	0,28	0,07		0,10	0,087	0,05		0,032	0,063	0,025	0,006	0,713
3D slicer	0,28	0,14	0,14	0,10	0,087	0,05	0,007	0,039		0,021		0,864
Drishti	0,14	0,14	0,14	0,10		0,05	0,013	0,032		0,029		0,644
VTK	0,28	0,14	0,14	0,10		0,05	0,013	0,032		0,025		0,780

Ранг прототипа	Название	Прототип	Доработка
	Информационная система 3D визуализации в пульмонологии	МeVisLab	Необходима оптимизация системы под нуждызаказчика
	Интерфейс	3d Doctor	Упрощение интерфейса, реализация просмотра высококачественной графики
Модуль построения моделей	МeVisLab	Автоматизация построения моделей, реализация наложения фильтров
Модуль численного анализа данных	МeVisLab	Автоматизация алгоритмов, интеграция с базой знаний
Модуль накопления знаний и опыта	3D slicer	Реализация накопления и формализации опыта и знаний с возможностью последующего применения

Заключение по выбору прототипа

В результате проведенного исследования были проанализированы достоинства и недостатки выбранных программ для визуализации медицинских данных. Исследование показало, что оптимальной для дальнейшего использования является программа MeVisLab. В дальнейшем планируется подключить MeVisLab к облаку для ускорения процесса вычисления и получения более точных значений рассчитываемых величин.

Критика прототипа

Выбор наиболее подходящей системы заключается в нахождении такого решения, в котором возможна реализация всех поставленных задач а так же имеются инструменты для построения многомерных моделей и возможность портирования системы в формат клиент-серверное приложениях задач составляющие, однако для проектирования системы пригодной для эксплуатации пользователями необходим более понятный и пользователе ориентированный интерфейс который позволит оптимизировать работу специалиста.

Помимо интерфейса в данной системе при помощи свободного доступа к разработке модулей и сценариев необходимо реализовать сценарий по автоматическому построению нужных моделей после чего портировать данную систему с переводом ее в формат клиент-серверного приложения.

Для оптимизации затрат по ресурсам необходимо строго разграничить вычислительное ядро системы для уменьшения ресурсной нагрузки на клиентскую часть. На данный момент система не оптимизирована по ресурсной потребности что ведет к чрезмерным затратам по ресурсам как видео адаптера так и вычислительной мощности.

Предлагаемое решение:

Разработать интерфейс для проектируемой системы, создать необходимый сценарий построения моделей и подсчета всех численных характеристик, перенести приложение в формат клиент-сервер и настроить облачную обработку данных для серверной составляющей.