4. 4. АППАРАТНО-КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕДИЦИНСКИЕ СИСТЕМЫ
Аппаратно-компьютерные медицинские системы представляют собою комплекс, состоящий из двух частей - медицинского аппарата и специализированного компьютера. В качестве медицинских аппаратов могут быть представлены диагностические, лечебные или контролирующие (мониторинговые) устройства.
Компьютерная часть системы может базироватьcz на любой аппаратной платформе, находящейся под управлением специализированных медицинских программ.Аппаратно-компьютерные медицинские системы по своему назначению подразделяются на 5 основных групп:
• для получения медицинских изображений органов человека,
• для получения параметрических данных,
• для получения функциональных данных,
• для выполнения мониторинга,
• терапевтического направления.
Системы для получения медицинских диагностических изображений представляют собой сложные технические устройства, в которых установлены мощные компьютеры. Они работают, как правило, под управлением сложных операционных систем, таких, например, как Unix, Windows NT, Linux, и имеют развитое прикладное программное обеспечение. Для получения медицинских диагностических изображений используются аппаратнокомпьютерные комплексы двух типов. В первом из них первона-
чальное изображение получается в аналоговом виде, затем оно оцифровывается в АЦП и далее существует в матричном виде.
Рис.4.12. Схема построения рентгеновского комплекса с цифровым терминалом
Рис.4.13.Цифровая рентгенограмма коленного сустава (боковая проекция)
Так устроены рентгенодиагностические аппараты с цифровым терминалом (рис.4.12). В них аналоговое изображение оцифровывается ПЗС-матрицей и затем передается в процессор для дальнейшей обработки и анализа. Итоговое изображение представляет собою рентгенограмму с высокой четкостью и большой фотографической широтой (рис.
4.13). Отметим, что в настоящее время, помимо рентгеновских аппаратов вышеуказанного типа, существуют рентгенографические системы, работающие без аналогового этапа. В таких системах цифровое рентгеновское изображение формируется сразу же на цифровом плоском детекторе. Подобная технология носит название прямой цифровой рентгенографии (ddR - direct digital Radiography). В настоящее время рентгенография - один из наиболее распространенных методов рентгенологического исследования. Нередко она применяется в комбинации с искусственным контрастированием органов.Ультразвуковые аппаратно-компьютерные комплексы (рис. 4.14) содержат датчик ультразвуковых излучений, формирующий первоначально аналоговый образ органа. Затем в модуле оцифровки аналоговые изображения преобразовываются в цифровые. Итоговые образы (они носят названия сонограмм) отображают структуру исследуемого органа (рис.4.15). Этот ультразвуковой комплекс при необходимости путем встраиваемой компьютерной программы позволяет визуализировать кровоток, причем раздельно - артериальный и венозный (рис.4.16), что имеет большое значение в диагностике облитерирующих поражений сосудов. Ультразвуковые исследования вследствие дешевизны, отсутствия противопоказаний получили широчайшее распространение во всех областях медицины.
Рис.4.14. Аппаратнокомпьютерный комплекс для ультразвуковой диагностики
По аналогичному аналого-цифровому принципу устроен аппаратно-
Рис 4.15. Ультразвуковое исследование желчного пузыря - сонография. Внутри пузыря имеются конкременты
Рис.4.16. Ультразвуковое исследование почки дуплексным методом (сонограмма + допплеровское картирование). Видны артериальные и венозные сосуды почки
компьютерный комплекс, предназначенный для радионуклидной визуализации органов человека - гамма-квантами (рис.
4.17). После введения в организм пациента органотропных радиофармпрепаратов они накапливаются в этих органах и сигнализируют о своем присутствии испускаемыми га-квантами. Последние улавливаются сцинтилляционным детектором и позиционируются на его плоскости в виде двухмерного изображения исследуемого органа. Далее изображение оцифровывется и передается для дальнейшей обработки в процессор. Итогом такого процесса является радионуклидная сцинтиграмма (рис. 4.18).
Рис.4.17. Аппаратнокомпьютерный
комплекс для радионуклидной визуализации - гамма-камера
Рис.4.18.
Сцинтиграмма
скелета
Другой тип аппаратно-компьютерных комплексов основан на компьютерно реконструкции первично цифровых изображений.
К таким
устройствам относится компьютерный томограф (КТ) и магнитно-резонансный томограф (МРТ).
Первый (рис. 4.19) позволяет получать послойные снимки внутренних органов человека (компьютерные томограммы) при движении рентгеновской трубки вокруг тела пациента. Толщина среза, видимого как отдельное изображение, составляет доли миллиметра, расстояние между срезами - 1-5 мм. Компьютерные томографы способны получать изображение за очень короткое время, измеряемое долями секунды. Современные томографы являются спиральными и многосрезовыми (одномоментно до 320 срезов). Помимо визуализации тонких срезов (рис.4.20), такая технология позволяет реконструировать трехмерное изображение органов (рис.4.21). Кроме того, с помощью спиральной КТ можно получить изображение полых органов - трахеи, бронхов, толстой кишки.
Аппаратно-
_ т, „ , компьютерныйком-
Рис.3.19. Компьютерный томограф
фирмы Сименс плекс магнитно-
Рис.4.20. Компьютерная томограмма брюшной полости
резонансный томограф (МРТ) (рис.4.22) основан на исследовании магнитного резонанса ядер протонов человека, помещенного в сильное магнитное поле (до 1,5-3,0 Тл).
При дополнительном воздействии кратковременными радиочастотными импульсами протоны, нахо-
Рис.4.21. Компьютерная томограмма грудной клетки. Трехмерная реконструкция. Видна аневризма грудной аорты (стрелка)
резонансный томограф фирмы Сименс
дящиеся в теле пациента, входят в магнитный резонанс.
Последующая
релаксация протонов инициирует электромагнитные сигналы, которые улавливаются радиочастотными катушками, оцифровываются и передаются в память компьютера. Последний реконструирует МРТ-изображение (рис.4.23).
Рис.4.23. Магнитно-резонансная томограмма всего тела
Значительным шагом вперед, продвинувшим изобразительные методы аппаратно-компьютерных систем, стала методика так называемых мультимодальных, или «спаянных изображений»
Рис.4.24.
Мультимодальное изображение КТ/ сцинтиграфия (вид сзади). Виден метастаз в ХІлевом ребре
(fusion imaging). При этом на одном снимке или на экране монитора получается изображение внутренних органов, полученных разными методами исследования - МРТ, КТ и с помощью радионуклидов. Такой метод позволяет выявить мелкие очаги повышенного накопления радиоактивного вещества и привязать их к анатомическим ориентирам тела пациента (рис.4.24) (подробнее см. главу 8).
Существует метод альтернативного подхода к манипуляциям с медицинскими изображениями - их вычитание (субтракция). При этом одну и ту же область исследуют различными методами, а затем из одного изображения вычитают другое - производят вычитание. В качестве примера можно привести ди- гитальную субтракционную ангиографию (ДСА) (рис.4.25): вначале выполняют обзорный рентгеновский снимок иссле-
Рис.4.25. Ангиографический комплекс фирмы Сименс
дуемой области, производят его компьютерную инверсию из позитива в негатив.
Затем сразу же проводят рентгеноконтрастное исследование сосудов - ангиографию. Затем из второго снимка вычитают первый (в негативе). В итоге получается контрастное изображение сосудов без наложения мешающих теней окружающих органов (рис.4.26).
Рис.4.27. Остеоденситометр
Рис.4.26. Ангиограмма головного мозга
Медицинские аппаратно-компьютерные системы для получения параметрических данных позволяют с помощью компьютерных программ прижизненно определять минеральный, химический или биохимический состав органов человека. Одним из таких методов стала двухфотонная компьютерная рентгеновская остеоденсито- метрия.
Рис.4.28.Остеоденситограмма с указанием минерализации скелета
Суть метода сводится к следующему. Больному выполняют сканирующую рентгенографию скелета рентгеновскими лучами различной жесткости на специальном рентгеновском аппарате - остеоденситометре (рис.4.27). Разность в адсорбционной способности рентгеновских лучей скелетом оценивается с помощью компьютера. Итоговым результатом исследования является количественный
показатель минеральной плотности костей (рис.4. 28). Причем, компьютер позиционирует это плотность в три зоны - нормальную, зоны среднего и высокого риска переломов. Данное исследование нашло большое распространение при выявлении и изучения остеопороза - одного из наиболее частых заболеваний человека
Системы получения функциональных данных. Имеют в своем составе датчики функции органов. Сигналы с этих датчиков оцифровываются в АЦП и затем передаются в компьютер. Задача компьютера - отсечь в автоматическом режиме шумы и сигналы, выходящие за рамки доверительного интервала, выделить репрезентативную (достоверную) группу полезных данных и затем провести их анализ. Итогом анализа может служить распечатка в виде цифр или заключения, которые быть переданы по каналам связи для консультации или дальнейшего изучения.
Функциональная схема медицинского аппаратно-компьютерного комплекса для регистрации нескольких параметров приведена на рис. 4. 29.
Рис.4.29.. Функциональная схема медицинского аппаратно-компьютерного комплекса для регистрации нескольких параметров
Существует еще один вид медицинских аппаратно-компьютерных систем, определяющих функциональное состояние изучаемых органов. В этих системах компьютер выполняет задачу анализатора серии изображений, каждое из которых показывает функциональную активность органа. В итоге получаются результирующие кривые, отражающие характер функции этого органа. Подобным образом определяют, например,функциональную активность почек при радионуклидной визуализации (рис.4.30) или состояние кровотока в сосудах при магнитно-резонансной томографии (рис.4.31).
Рис.4.30. Радионуклидное исследование функции почек - ренография. На сцинтиграммах выделены зоны интереса, в которых построены кривые, отображающие функцию каждой почки в отдельности
Рис.4.31. Магнитно-резонансная томография артерий нижних конечностей и кривая, построенная компьютером и показывающая интенсивность кровотока в систолу и диастолу
Все аппаратно-компьютерные медицинские системы диагностического направления условно делятся на операторозависимые и операторонезависимые. К первым относятся такие системы, в которых результирующие данные в значительной степени зависят от искусства врача, его умения управлять первичным сбором данных. К таким системам можно отнести ультразвуковые сканеры. В них результирующая ультразвуковая картина исследуемого органа в значительной степени зависит от того, как врач проводит лоцирование исследуемого органа, каково расположение датчика и ракурс визуализации. Поэтому при подобных исследованиях твердые копии изображений имеют ограниченное медицинское и юридическое значение.
При цифровой рентгенографии, компьютерной рентгеновской и магнитно-резонансной томографии, радионуклидной визуализации результирующее изображение органа в первую очередь связано с настройкой аппарата и физическими параметрами его функционирования. Итоговые данные таких исследований более объективно отражают сущность изучаемого органа. Поэтому такие исследования логично отнести к операторонезависимым.
Медицинские аппаратно-компьютерные системы мониторинга включают в себя различные классы устройств, предназначенных для отслеживания на значительном промежутке времени функционального состояния различных органов. Весьма часто эти системы используются в реанимации, в кардиологических и хирургических отделениях, в операционных блоках. Примером такого мониторинга может служить холтеровская система, позволяющая установить суточные колебания артериального давления и ЭКГ в естественных условиях пребывания пациента. К поверхности тела больного прикрепляются датчики регистрирующие пульс, артериальное давление и ЭКГ в течении суток (рис. 4.32). Датчики соединяются с запоминающим устройством - флэш-картой, на которой сохраняются
Рис.4.32. Расположение датчиков при холтеровском мониторинге (http://upload.wikimedia. org/wikipedia/commons/d/db/ Holter_monitor.JPG)
все зарегистрированные сигналы. Спустя сутки данные с флэш- карты считываются компьютером, который имеет специальное программное устройство для анализа данных и их распечатки (рис.4.33, 4.34). Некоторые холтеровские системы имеют портативные компьютерные гаджеты (рис.4.35), регистрирующие функциональную информацию и отображающую ее на дисплее. Это позволяет в режиме online отслеживать регистрируемые данные. Гаджеты имеют выход в Интернет для передачи текущих результатов в медицинский центр.
Рис.4.33. Заключительная таблица ЭКГ холтеровского суточного мониторинга. Выявлены одиночные экстрасистолы
Рис.4.34. Суточные колебания артериального давления, выявленные в процессе холтеровского суточного мониторинга
Медицинские аппаратно-компьютерные комплексы интенсивной терапии. Предназначены для компьютерного контроля и управления физиотерапевтическими процедурами, для программного вливания лекарственных препаратов и для управления перфузионными насосами, а также для оптимизации функционирования аппаратуры в процессе проведения ингаляционного наркоза и искусственной вентиляции легких. Большое значение в этом отношении имеют аппараты искусственного гемодиализа. Общий принцип работы комплексов указанного направления состоит в реализации обратной связи с регистрирующих датчиков, компьютерной обработке полученных результатов и последующим компьютерным управлением механизмом терапевтического вмешательства.
Рис.4.35. Гаджет с дисплеем холтеровского мониторинга
Рис.4.36. Аппаратнокомпьютерных комплекс для аблации сердечных зон при аритмиях
В последнее время созданы сложные аппаратнокомпьютерные комплексы
Рис.4.37. Аппаратнокомпьютерный комплекс для управления линейным ускорителем Varian
для выполнения микроинвазивных процедур под контролем рентгенологического исследования (рис.4.36). С помощью подобных комплексов проводится аблация - радиочастотное выжигание мелких участков в проводящей системе сердца, которые явились причиной нарушений его ритма.
Важным аппаратно-компьютерным комплексом, применяющимся в онкологии, является система управления облучением
пациента на линейном ускорителе. (рис.4.37). С ее помощью удается рассчитать необходимую дозу радиации и точно направить пучок радиоактивного излучения на опухоль.
Контрольные термины и понятия для самостоятельной проверки знаний
• Понятия о вычислительной системе.
• Вычислительные системы общего назначения.
• Медицинские аппаратно-компьютерные комплексы.
Аппаратные средства вычислительной системы:
• Аппаратная конфигурация компьютера.
• Процессор и его характеристика.
• Оперативная и кэш-память.
• Долговременная внутренняя память.
• Дисководы.
• Устройства ввода информации.
• Мониторы.
• Устройства вывода.
• Принтеры.
• Сканеры.
• Введение документов в компьютер и их распознавание. Классификация компьютеров:
• Суперкомпьютер.
• Кластер.
• Персональный компьютер.
• Структура ПК.
• Настольные, портативные и карманные ПК.
• Классификация ПК.
• Рабочие станции.
• Развлекательный компьютер.
• Смартфоны.
• Гаджеты.
Программное обеспечение компьютера:
• Уровни программного обеспечения.
• Базовый уровень.
• Системный уровень.
• Служебный уровень.
• Прикладной уровень.
• Интерфейсы.
• Виды пользовательских интерфейсов.
• Браузеры.
• Общие и специальные программы.
• Текстовый редактор (процессор).
• Табличный редактор.
• Графический редактор.
• Редактор презентаций.
• Редактор HTML.
Аппаратно-компьютерные медицинские системы:
• Основные группы аппаратно-компьютерных систем.
• Ультразвуковые аппаратные комплексы.
• Гамма-камера.
• Компьютерный томограф.
• Виртуальная эндоскопия.
• «Спаянные изображения».
• Магнитно-резонансный томограф.
• Аппаратно-компьютерные комплексы для получения параметрических изображений.
• Рентгеновская остеоденситометря.
• Системы получения функциональных данных.
• Аппаратно-компьютерные системы мониторинга.
• Холтеровский суточный мониторинг.
• Аппаратно-компьютерные комплексы интенсивной терапии.
• Аппаратно-компьютерные комплексы для планирования облучения в онкологии.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое «вычислительная система»?
2. Что такое «аппаратно-вычислительный комплекс»?
3. Каково назначение компьютера в аппаратно-компьютерном комплексе?
4. Каково назначение сканера в работе врача?
5. Какие требования к мониторам применимы в медицинской практике ?
6. Как осуществляются введение и распознавание медицинских документов?
7. Какие виды магнитной памяти имеет компьютер, их назначение?
8. Какова структура персонального компьютера?
9. Какие задачи решает персональный компьютер в работе врача?
10. Какие виды персональных компьютеров используются в медицинской практике?
11. Что такое «рабочая станция», каково ее назначение?
12. Уровни программного обеспечения компьютера?
13. Какие пользовательские интерфейсы используются в медицинской практике?
14. Какие аппаратно-компьютерные комплексы применяются в медицине?
15. Что такое «холтеровский мониторинг»?
Тестовые задания
Первый уровень
1. Оперативная память предназначена для хранения информации:
а - постоянной; б - временной; в - внешней; г - переносимой.
2. Персональный компьютер предназначен для:
а - подготовки документов; б - для работы у постели больного; в - для рисования изображений; г - для выполнения глобальных вычислений.
3. Пользовательский интерфейс - это связь между:
а - компьютерами;
б - аппаратными частями компьютера; в - пользователем и компьютером; г -пользователями;
4. Компьютерная томография - это метод для исследования:
а - функции; б - морфологии; в - гистологии; г - эмбриологии;
5. Компьютерные программы базового уровня предназначены для:
а - управления компьютером; б - установления контактов с пользователями; в - установления контактов между компьютерами; г - обнаружения ошибок в работе компьютера;
Второй уровень
1. Пользовательские программы - это ...
2. Операционные системы - это ...
3. Интерфейсы - это ...
4. Суперкомпьютер - это ...
5. Персональный компьютер - это .
6. Аппаратно-компьютерный комплекс - это ...
7. Устройства ввода информации - это ...
8. Устройства вывода информации ...
9. Принтеры - это ...
10. Сканеры - это ...
11. «Спаянные изображения» - это.
Третий уровень
1. Опишите устройство персонального компьютера.
2. Охарактеризуйте программное обеспечение компьютера.
3. Какие функции выполняет персональный компьютер в работе врача?
4. Какие пользовательские программы наиболее часто применяются в медицине?
5. Что такое «виртуальная эндоскопия» и где ее использование имеет значение?
6. Какие магнитные носители информации предпочтительно применять в медицине?
7. Виды переносных компьютеров и сфера их применения в медицине.
8. Как осуществить распознавание факсимильного медицинского документа?