Современные виды томографии

3.6. Радионуклиды, используемые в ПЭТ

Радиоизотопы, используемые в ПЭТ и других подобных исследованиях,

производятся с помощью ускорителя частиц, называемого циклотроном.
Все используемые в ПЭТ испускающие позитроны радионуклиды имеют
короткое время полураспада и высокую энергию излучения по сравнению с
радиоизотопами, вообще используемыми в биомедицинских исследованиях.

Основные радионуклиды, используемые в клинических исследованиях,

это углерод

C, азот

N, кислород

O и фтор

F, поскольку эти химиче-

ские  элементы  есть  почти  во  всех  соединениях  в  теле  человека.  Все  они
имеют  короткий  период  полураспада,  что  позволяет  вводить  пациенту
большие  дозы  препарата  с  низким  лучевым  воздействием  и  неоднократно
проводить исследования.

Таблица 5

. Радиоизотопы, используемые в ПЭТ

Изотоп Период полураспада, мин Средняя кинетическая энергия, мэВ

С 20,4

0,385

N 10,0

0,491

O 2,0

0,735

F 109,8

0,242

Ga 68,3

0,783

Rb 1,25

1,32

Наиболее часто применяется изотоп

F, которые используется для мар-

кировки глюкозы, где он замещает гидроксильную группу, и распадаясь по-
зволяет следить за метаболизмом глюкозы в организме. Количество вводи-
мого препарата (ФДГ) столь мало, что не нарушает естественный метабо-
лизм глюкозы. ФДГ поглощается тканями, использующими глюкозу как ис-
точник энергии: злокачественными опухолями, метастазами, клетками мио-
карда, нервными волокнами. Например, мозг использует глюкозу исключи-
тельно как источник энергии и когда ФДГ поступает в клетки мозга, регист-
рируемое изображение показывает топографическую карту поглощения
глюкозы различными участками мозга. Злокачественные клетки используют
больше глюкозы, чем здоровые ткани, поэтому такие исследования особен-
но эффективны при обнаружении рака и определения его стадии.

Изотопы

N и

C имеют короткий период полураспада что накла-

дывает ограничения на их использование в клинических исследования и
требует близкого расположения ПЭТ сканера и циклотрона.

Раньше короткое время жизни было серьезной проблемой для проведе-

ния исследований. Для создания изотопов центр должен иметь ускоритель
частиц и штат ядерных физиков. Если возможности синтеза изотопов нет,
они транспортируются к месту проведения исследования. В последние годы
ПЭТ быстро развивалась главным образом из-за множества новых радиоак-
тивных индикаторов, доступных для исследований человека.

100

3.7. Достоинства и недостатки ПЭТ

Системы ПЭТ универсальны, они используют все типы позитронных из-

лучателей.  Их  отличает 100% достоверность  диагностических  результатов,
которая  достигается  использованием  поправок  на  нормализацию,  мертвое
время счетчика, затухание, рассеяние и распад, а также качественной и ко-
личественной обработкой  информации.  Они просты в использовании, име-
ют стандартные протоколы и автоматизированный контроль качества. ПЭТ
сканеры позволяют параллельно собирать и обрабатывать данные, реконст-
руировать изображения, анализировать результаты, что существенно повы-
шает пропускную способность.

Поскольку период полураспада радиоизотопов мал, лучевое облучение

чрезвычайно мало и не затрагивает нормальные процессы тела. Это позво-
ляет при необходимости проводить повторные исследования.

Изображения, получаемые в ПЭТ, чаще всего представлены в соответст-

вии  с  цветной  шкалой,  что  делает  результаты  исследования  более  нагляд-
ными  для  диагностики.  Например,  здоровая  ткань  использует  глюкозу  для
пополнения энергии и накапливает часть радиоактивной глюкозы. Злокаче-
ственная  ткань  потребляет  больше  глюкозы,  чем  здоровая  и  на  ПЭТ  изо-
бражении будет более яркой, чем нормальная ткань.

Конструкция современных ПЭТ сканеров позволяет проводить исследо-

вания не только головного мозга, но и внутренних органов, что важно для
раннего обнаружения злокачественных изменений.

Одним из условий получения правильной картины распределения изо-

топа  является  отсутствие  его  перераспределения  при  проведении  сканиро-
вания.  В  ряде  случаев  ПЭТ  может  дать  ложные  результаты,  если  химиче-
ский  баланс  пациента  нарушен.  Например,  у  диабетиков  причиной  этого
может послужить высокое содержание сахара или инсулина в крови.

Возможности использования ПЭТ ограничиваются дороговизной томо-

графов и необходимостью размещения их вблизи циклотрона. Создание но-
вых радиофармпрепаратов, имеющих период полураспада несколько часов,
позволяет частично решить ее. Кроме того, радиоизотоп рубидия-82 (период
полураспада 76 с)  можно  получить  не  используя  циклотрон.  Этот  изотоп
создается  с  помощью  разработанного  в  институте  ядерных  исследований
им.  Курчатова  (Москва)  генератора  рубидия-82  и  позволяет  проводить  ис-
следования перфузии миокарда с высокой чувствительностью.

Ценность ПЭТ растет при совместном проведении с другими исследова-

ниями (КТ, МРТ).

101

3.8. ПЭТ/КТ сканеры

Сравнительно недавно появились новые диагностические устройства -

ПЭТ/КТ сканеры. Они позволяют в одном исследовании получать функцио-
нальную  (ПЭТ)  и  структурную  (КТ)  информацию,  что  достигается  совме-
щением  ПЭТ  и  КТ  изображений.  Кроме  того,  данные  КТ  могут  использо-
ваться для коррекции аттенюации ПЭТ изображений, что сокращает время
исследования на 30%-40%. Эти преимущества делают ПЭТ/КТ более пред-
почтительным  методом,  чем  обычное  ПЭТ  исследование.  Недостатком  ме-
тода является возникновение артефактов и количественных ошибок на ПЭТ
изображениях  при  коррекции  аттенюации  на  основе  данных  КТ  [29].  На-
пример, использование контратирующих веществ и наличие металлических
имплантов может привести к переоценки активности препарата в исследуе-
мой  области.  Дыхание  пациента  приводит  к  несоответствию  данных  КТ  и
ПЭТ исследований (разные поля сбора данных) и артефактам

Конструктивно ПЭТ/КТ сканер представляет собой позитронно-

эмиссионный  и  компьютерный  томографы,  размещенные  в  одном  гентри
(обычно  КТ  блок  расположен  перед  ПЭТ  блоком).  Современные  ПЭТ/КТ
сканеры имеют апертуру гентри 70 см и ширину 100 см. Оба сканера могут
использоваться как вместе, так и независимо друг от друга. КТ сканер мо-
жет  быть  многосрезовым  с  пошаговым  или  спиральным  режимами  сбора
данных и различными скоростями вращения трубки; ПЭТ сканер может ра-
ботать в двух или трехмерном режимах.

Первым этапом сбора данных является получения базового изображе-

ния, служащего для задания границ области ПЭТ/КТ исследования. КТ изо-
бражения получают при напряжении 100-140 кВ и различных силах тока (в
зависимости от цели исследования). Затем пациент автоматически переме-
щается в ПЭТ сканер и позиционируется в то же анатомическое положение.
Сбор данных на этом этапе занимает 3-5 минут, затем ПЭТ изображения ре-
конструируются с учетом коррекции на аттенюацию по КТ изображениям.
Полученные КТ изображения имеют матрицу 512х512, а ПЭТ изображения -
матрицу 128х128.

Одновременное получение функциональной и анатомической информа-

ции позволяет повысить качество исследования за счёт улучшения качества
изображения и повышения точности определения пространственной лока-
лизации образований до 98%. Анализ спроса на медицинскую технику пока-
зывает увеличение продаж ПЭТ/КТ сканеров на 65% за последние 3 года,
что вызвано прежде всего преимуществами данного метода.

Все крупные производители медицинского диагностического оборудо-

вание разработали и выпускают позитронно-эмиссионный томографы, ком-
бинированные с компьютерными томографами.

102

3.9. Области применения ПЭТ в медицине

ПЭТ используется в различных областях медицины [26].
Около 80% клинических ПЭТ исследований проводится в области онко-

логии,  они  позволяют  дифференцировать  злокачественные  и  доброкачест-
венные  образования,  определять  степень  распространения  опухолей  с  чув-
ствительностью, близкой к 100%. Исследования всего тела, занимающие 60-
70  минут,  позволяют  определить  метастазы  любой  локализации.  ПЭТ  не
имеет  альтернативы  при  ранней  (через 1-2 недели)  оценке  результатов  хи-
миотерапии.

В кардиологии ПЭТ позволяет получать информацию о кровоснабжении

миокарда, скорости метаболических процессов, оценить признаки болезни
коронарной артерии, контролировать эффективность лечения. Для таких ис-
следований используются ультракороткоживущие изотопы (

С).

Данные ПЭТ важны при планировании аортокоронарного шунтирования.

В неврологии ПЭТ используется для обнаружения неврологических бо-

лезней, включая эпилепсию, опухоли, дифференциации психических забо-
леваний. ПЭТ дает сведения о кровообращении мозга, скорости усваивания
кислорода и глюкозы, отображает другие физиологические процессы.

ПЭТ используется для измерения метаболизма глюкозы (единственного

источника энергии клеток). Примерно через 40 минут после внутривенного
введения радиоактивной глюкозы (чаще это изотоп

ФДГ), радиоизотоп

поступает в клетки и достигает равновесия. Затем его распределение изме-
ряется в различных срезах.

Подобные исследования проводятся при исследованиях болезней почек.

Почки отличают высокий уровень метаболизма и поток крови, из-за чего
регистрируемое изображение имеет высокое соотношение сигнал/шум.

Также ПЭТ используется при изучение механизмов мозга, лежащих в

основе  человеческого  создания:  для  исследования  мозговой  организации
внимания, эмоций, мышления, творчества, общего интеллекта, способности
ориентироваться, т.е. всех аспектов деятельности мозга, которые делают его
настолько  неповторимым  и  сложным  объектом.  Исследования  проводятся
путём измерения распределение потока крови в мозге. Предполагается, что
увеличение  потока  крови  связано  с  увеличенной  функциональной  деятель-
ностью. Чтобы достигнуть активации радиоизотопа (

O) требуется пример-

но 3-5 минут, после чего можно измерить его распределение. Затем с помо-
щью кодируемых цветом изображений можно видеть, где мозг активизиро-
ван во время некоторых действий. Например, когда человек говорит или чи-
тает, правое полушарие мозга "светится".

В ряде научных центров с помощью ПЭТ проводят исследования ле-

карств, их распределение и действие на организм.

103

ГЛАВА 4. ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБМЕН

ИНФОРМАЦИЕЙ

Необходимость повышения качества исследований вызвала развитие

информационных технологий (ИТ) и отказ крупнейших производителей ме-
дицинской техники от ряда традиционных технологий в пользу разработки
и  развития  высокоинформативных  диагностических  средств.  Современные
аппараты  дают  изображения  в  цифровом  виде,  что  позволяет  выполнять
достаточно сложную компьютерную  обработку  (например, наложение изо-
бражений разных диагностических устройств), интегрировать устройства  в
клиническую сеть, производить электронный обмен данными между учреж-
дениями.  Однако  сложность  реализация  электронной  передачи  данных  и
интеграции  устройств  в  единую  сеть  связана  с  возможной  несовместимо-
стью  аппаратных  и  программные  средства  у  различных  производителей
[46].  Не  всегда  удается  совместить  устройства  одной  фирмы-изготовителя,
поскольку  с  течением  времени  менялись  модели  встраиваемых  компьюте-
ров, версии системного и прикладного программного обеспечения, форматы
хранения и передачи медицинских данных.

Развитие компьютерных технологий в медицине вызвало необходимость

создания единых международных стандартов обмена медицинскими дан-
ными. В разных странах этот вопрос решается по-разному поэтому сущест-
вует множество различных медицинских стандартов: ASTM, ASC X12,
IEEE/MEDIX, NCPDP, HL7, DICOM и т.п. Как правило, стандарты носят на-
звания групп/комитетов и прочих некоммерческих организаций их разраба-
тывающих.

Каждая группа по разработке стандартов имеет некоторую специализа-

цию,  так ASC X12N занимается  внешними  стандартами  обмена  электрон-
ными  документами, ASTM E31.11 - стандартами  обмена  данными  лабора-
торных  тестов, IEEE P1157 - стандартами  обмена  медицинскими  данными
("MEDIX"), ACR/NEMA DICOM - стандартами, связанными с обменом изо-
бражений и т.д.

Наиболее серьезные и интенсивно развивающиеся стандарты находят

программно-аппаратную  поддержку  у  крупных  производителей  медицин-
ской техники. В ряде стран, вопросы стандартизации обмена медицинскими
данными  решаются  достаточно  глобально.  Например,  в  США,  в 1996 году
Американским  национальным  институтом  стандартов (ANSI) был  утвер-
жден  национальный  стандарт  обмена  медицинскими  данными  в  электрон-
ном виде HL7 (Health Level 7). Его первая версия была разработана в 1987
году,  а  сейчас  широко  распространена  версия 2.2. Основная  цель HL7 со-
стоит в стандартизации обмена данными между медицинскими компьютер-
ными  приложениями,  исключающей  или  значительно  снижающей  необхо-
димость  разработки  и  реализации  специализированных  интерфейсов,  тре-

104

бующихся  при  отсутствии  единого  стандарта.  Также  целью HL7 является
электронный  обмен  информацией  при  использовании  широкого  спектра
коммуникационных  сред,  включая  менее  полные  по  сравнению  с OSI. Так
как HL7 стандартизирует обмен данными, а не прикладные системы, зани-
мающиеся этим обменом, то  методы применения HL7 в различных  учреж-
дениях могут существенно отличаться.

Сейчас дистанционная передача графических изображений по линиям

связи возможна благодаря поддерживаемому большинством производите-
лей протоколу связи DICOM 3.0, выполняющему функцию стандартизации
разнообразной медицинской графической информации и переводящему
аналоговое изображение в цифровое.

Другим интенсивно развивающимся медицинским стандартом является

DICOM, описывающий "паспортные" данные пациента, условия проведения
исследования и т.п., для последующей медицинской интерпретации данного
изображения. DICOM в  настоящее  время является основным  медицинским
коммуникационным  стандартом  для  передачи  изображений.  Более  того,
другие  стандарты,  например  НL7,  используют  формат  стандарта DICOM
для передачи изображений.

4.1. История разработки стандарта DICOM

Разработка стандарта DICOM началась в начале 80-х годов, когда про-

блема интеграции сложных цифровых устройств лучевой диагностики стоя-
ла уже достаточно остро. В 1983 году Американским Колледжем Радиоло-
гии (American College of Radiology, ACR) и Национальной ассоциацией
производителей электронного оборудования (NEMA) CШA был создан объ-
единенный комитет, в задачи которого входила разработка стандарта, обес-
печивающего передачу цифровых медицинских изображений, не зависящую
от производителей диагностического оборудования, и способствующую:

1. развитию систем архивирования и передачи изображений (PACS),
2. обеспечению их взаимодействия с автоматизированными больничны-

ми информационными системами,

3. созданию баз данных, содержащих диагностическую информацию,

получаемую с помощью большого числа удаленных друг от друга устройств
различных типов.

DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine, Цифровые изо-

бражения и обмен ими в медицине) - индустриальный стандарт для переда-
чи радиологических изображений и другой медицинской информации меж-
ду компьютерами, опирающийся на стандарт Open System Interconnection
(OSI), разработанный Международной Организацией по Стандартизации
(International Standards Organization).

Первая версия стандарта (DICOM 1.0) появилась в 1985г. и вторая

(DICOM 2.0) – в 1988г. Для поддержки развития и демострации DICOM 3.0

105

Комитет  по  электронным  коммуникациям  Радиологического  общества  Се-
верной Америки (Radiological Society of North America, Inc., RSNA) в 1992
году  начал  работу  с  секцией MedPacs ACR-NEMA. Этот  комитет,  возглав-
ляемый  Робертом  Хайнделем (Robert Hindel, PhD), представил  концепцию
"Центрального  тестового  узла" (central test node, CTN), центральной  точки
обмена необходимой информацией о передаче данных между медицинским
оборудованием различных производителей.

При поддержке RSNA, Лаборатория Электронной Радиологии

(Electronic Radiology Laboratory, ERL) Института Радиологии Маллинкродта
(Mallinckrodt Institute of Radiology, MIR) разработала  программное  обеспе-
чение,  которое  первое  в  своем  роде  включало  поддержку  спецификации
DICOM 3.0. Данное программное обеспечение было установлено в CTN для
демонстрации  применения  стандарта  в  локальной  компьютерной  сети  сек-
ции infoRAD на ассамблее RSNA '92. Позднее ERL выпустила более разви-
тое  ПО.  В  январе 1994 года  в  целях  помощи  разработчикам  в  понимании
сущности стандарта, рабочая версия, исходные коды и документация этого
программного  обеспечения  были  опубликованы  на ftp-серверах RSNA и
MIR для бесплатного доступа.

В разработке стандарта DICOM участвовали следующие организации:
Американский Радиологический Колледж (ACR);

- Институт Радиологии Маллинкродта (Mallinckrodt Institute of

Radiology, MIR);

- Национальная ассоциация производителей электронного оборудова-

ния (NEMA);

- Радиологическое общество Северной Америки (Radiological Society

of North America, RSNA).

Третья версия стандарта (DICOM 3.0) была выпущена в 1991 году и пе-

рерабатывалась до 1993 года. Она явилась существенным шагом вперед, по-
скольку  ее  можно  было  использовать  в  сетевых  средах  с  использованием
стандартных протоколов, например TCP/IP; в ней были описаны уровни со-
вместимости  со  стандартом,  семантика  программных  команд  и  ассоцииро-
ванных с ними данных; структура стандарта была приведена в соответствие
с директивами ISO (1989), что существенно отличает DICOM от HL7. Стан-
дарт DICOM версии 3.0 предназначен для передачи медицинских изображе-
ний, получаемых с помощью 29 методов диагностики и широко распростра-
нен в США, Японии, Германии и других странах. Крупнейшие производи-
тели  диагностического  оборудования  начали  планировать  в  составе  своих
систем возможность обмена изображениями в стандарте DICOM 3.0.

Стандарт имеет технологию для уникальной идентификации любого

информационного объекта при сетевом взаимодействии, применяет сжатие
изображений по стандарту JPEG. В качестве файловой системы использует
FAT (совместимую с DOS версии 4.0 и выше) и поддерживает различные

106

форматы физических носителей: дискеты 1.44М, МОД, CD. Появившись как
корпоративный, DICOM стал стандартом де-факто и встраивается в обору-
дование крупнейших производителей радиологического оборудования и
большинство систем PACS. Он поддерживается национальными организа-
циями по стандартам - CEN TC251 в Европе и JIRA в Японии.

Трудности передачи медицинского изображения связаны с необходимо-

стью иметь кроме самого снимка достаточно подробные сведения об усло-
виях, в которых он был сделан, а также сведения о состоянии и положении
пациента  в  момент  получения  изображения,  т.к.  часто  приходится  сравни-
вать  изображения  одного  объекта,  полученные  в  разное  время  и  в  разных
условиях.  Формализация  подобных  данных  представляет  собой  сложную
задачу,  постановка  которой  зависит  от  целей  дальнейшего  использования
указанных сведений. Именно формализация описания условий получения и
хранения  изображений,  а  также  сведений  о  состоянии  пациента,  является
основной целью разработки стандартов электронной передачи медицинских
изображений. Стандарт DICOM определяет термин "сложное изображение",
которое  представляет  собой  элемент  серии  изображений,  полученной  при
исследовании  одного  и  того  же  пациента.  Кроме  элементарного  изображе-
ния,  компонентами  сложного  изображения  могут  быть  несколько  кривых
(например,  задающих  область  интереса  на  обзорном  снимке),  наложений
(растровых  текстов  с  параметрами  исследования,  фамилией  врача  и  т.д.),
несколько  таблиц  преобразования  пикселов  изображения  при  его  визуали-
зации.

Стандарт DICOM состоит из 13 частей, из которых в версии DICOM 3.0

представлены первые 9:

1. Введение. Описываются история разработки стандарта, его назначе-

ние и структура.

2. Соответствие стандарту. Указываются структура сертификата соот-

ветствия стандарту и критерии, совместимости диагностического оборудо-
вания со стандартом DICOM.

3. Определение информационных объектов. Предлагается информаци-

онная  модель  "реального  мира",  описывающая  взаимоотношения  между
нормализованными  объектами  (пациент,  устройство)  и  составными  (иссле-
дования,  изображения и др., наследующими некоторые атрибуты нормали-
зованных объектов).

4. Спецификации классов операций. Специфицируются классы действий

или операций, которые могут выполняться над информационными объекта-
ми.  Вводится  понятие  операция-объект SOP (service-object pair). Разработ-
чики стандарта исходили  из  того,  что  применение операции к объекту  мо-
жет быть ограничено его свойствами, поэтому есть нужда в отдельном опи-
сании  классов SOP. Например,  для  класса  операций  Хранение  выделяются
отдельные  стандартные  классы  операций-объектов  Хранение  изображений

107

цифровой радиографии, Хранение ультразвуковых изображений, Хранение
наложений, Хранение таблицы преобразования пикселов и т.д. Аналогич-
ные пары выделяются для оперяции Запрос/извлечение и пр.

5. Структура и семантика данных. Описываются типы данных и правила

кодирования, используемые при передаче данных из одной системы в дру-
гую.  Специфицируются  форматы  передачи  изображений.  Стандарт  допус-
кает  передачу  исходных  и  уплотненных  изображений;  особо  описывается
синтаксис  передачи  при  использовании  неискажающих  и  искажающих  ал-
горитмов  уплотнения JPEG. Допускаются  другие,  не  специфицируемые  в
стандарте алгоритмы уплотнения.

6. Словарь данных. Приводится полный список элементов данных, опи-

санных  в  стандарте DICOM. Каждый  элемент  данных  идентифицируется
парой  целых  чисел,  например  пара (0018,5100) идентифицирует  описание
положения пациента по отношению к устройству в момент проведения ис-
следования.  Кроме  идентификатора,  приводятся  имя  элемента,  характери-
стика его значения (строка символов, число и т.д.) и допустимое число по-
вторений элемента в сообщении.

7. Обмен сообщениями. Описывается структура команд и протокола об-

мена сообщениями. Изложение этой части существенно опирается на соот-
ветствующие стандарты Модели взаимодействия открытых систем OSI (ISO
8222 и ISO 8649).

8. Обеспечение обмена сообщениями в сетевых средах. Определяются

необходимые компоненты системы обмена сообщениями в сетевых средах,
использующих протокол TCP/IP.

9. Обеспечение обмена сообщениями при прямой связи абонентов (point-

to-point). Приводится подробное описание прямого взаимодействия двух
устройств, в т.ч. назначение каждой ножки 50-контактного разъема, уровня
передаваемых сигналов, их временные характеристики и т.д

На стадии разработки и утверждения находятся еще 4 части стандарта:
10. Носители данных и форматы файлов. Описываются теоретические

основы хранения медицинских изображений на внешних носителях данных.

11. Прикладные характеристики хранения данных на внешних носите-

лях. Описываются требования к данным, которые должны храниться на
внешних носителях, описания имеют клиническую направленность.

12. Форматы носителей и физическая среда хранения данных. Специфи-

цируются различные носители данных, которые могут использоваться для
хранения медицинских изображений (например, дискеты 3.5", компакт-
диски CD ROM, магнитооптические диски и т.д.).

13. Управление выводом на печатающие устройства при прямом соеди-

нении. Описываются протоколы и операции, необходимые для вывода изо-
бражения на печатающее устройство. Вывод осуществляется системой-
исполнителем, напрямую соединенной с системой-инициатором вывода.

108

4.2. Структура DICOM файла

Во многих медицинских задачах принципиальное значение имеет фор-

мат  обрабатываемых  изображений.  Если  планируется  использование  дан-
ных  широким  кругом  получателей  и  последующая  обработка  результатов
исследования,  по  следует  пользоваться  форматом  передачи  данных,  опи-
санным в международном стандарте DICOM [7].

Файл, хранящий одно изображение в стандарте DICOM является слож-

ной  структурой  данных,  включающей  в  себя  не  только  непосредственно
изображений,  но  и  сопутствующую  информацию,  такую  как:  данные  об
оборудовании,  на  котором  проводилось  исследование;  описание  проведен-
ного  исследования;  параметры  и  описание  серии;  системы  координат  свя-
занной  с  изображением;  атрибуты,  определяющие  само  изображение;  тек-
стово-графические элементы, графики и комментарии,  выполняемые  меди-
цинским  персоналом  и  атрибуты,  описывающие  преобразования  над  полу-
ченными  данными  и  т.д.  Подробное  описание  структуры  любого DICOM-
файла приведено в части 10 стандарта.

Отдельный DICOM файл содержит как заголовок (который хранит ин-

формацию  об  имени  пациента,  типе  исследования,  размере  изображения  и
т.д), так и все данные изображения (которые могут содержать информацию
в трех измерениях). Это его отличие от популярного формата Analyze, кото-
рый хранит данные изображения в одном файле (*.img) и данных заголовка
в другом файле (*.hdr). Другое различие между DICOM и Analyze в том, что
данные DICOM изображения  могут  быть  сжаты  для  уменьшения  размера
изображения.  Файлы  могут  быть  сжаты,  используя  методы  с  потерей  дан-
ных  или  без  потерь  в  формате JPEG, так  же  как  формат  без  потерь Run-
Length Encoding (который  является  идентичным  сжатию  битов,  используе-
мому в изображениях формата TIFF).

Первые 794 байта DICOM файла используются для DICOM заголовка,

который описывает размерность изображения и сохраняет другую тексто-
вую информацию об исследовании. Размер заголовка изменяется в зависи-
мости от количества сохраненной в заголовке информации. Данные изобра-
жения следуют за информацией заголовка.

Заметим, что DICOM первые 128 байт в файле не используются (запол-

нены нолями), за ними следуют символы 'D', 'I', 'C', 'М'. Далее следует опре-
деленным  образом  сгруппированная  информация  заголовка,  занимающая
794 байта. В заголовке содержатся данные о модальности устройства и его
производителе,  фотометрическая  информация,  версия  программного  обес-
печения,  условия  исследований,  параметры  сканирования,  количество  эле-
ментов изображения, синтаксис передачи данных, введенная информация о
пациенте и др.

Любой DICOM-файл имеет идентификационный номер (File ID), запи-

санный в заголовке. Идентификационный номер имеет до восьми компо-

109

нент, каждая из которых может содержать до восьми символов. Это позво-
ляет работать с данными в режиме иерархической структуры.

Отсутствие необходимых элементов заголовка изображения является

нарушением DICOM стандарта, поскольку это может привести к неверной
диагностической интерпретации данных. Большинство просмотровых про-
грамм DICOM формата не проверяет наличие большинства этих элементов,
извлекая только информацию заголовка, которая описывает размер изобра-
жения.

Стандарт NEMA предшествовал DICOM, его структура очень похожа и

много тех же самых элементов. Главное различие - формат NEMA не имеет
128-байтового буфера данных или префикса 'DICM'.

Важен элемент, определяющий синтаксис передачи. Он говорит о струк-

туре  данных  изображения,  показывая,  были  ли  данные  сжаты.  Многие
DICOM-программы  могут  работать  только  с  несжатыми  данными. DICOM
изображения могут быть сжаты как обычной JPEG схемой сжатия с потеря-
ми  (где  теряется  часть  высокочастотной  информации)  так  и JPEG схемой
без потерь, которая редко применяется вне медицинского отображения (это
оригинал и редкий Huffman JPEG без потерь, а не более поздний и эффек-
тивный алгоритм JPEG-LS). Эти коды описаны в части 5

DICOM стандарта.

Синтаксис передачи UID также говорит о порядке байта в наборе дан-

ных. Различные компьютеры хранят целые числа по-разному. Поэтому, для
некоторых данных возможно требуется изменить порядок данных в соот-
ветствии используемому компьютером.

Для большинства МРТ и КТ используемая фотометрическая интерпре-

тация  монохромна  (например,  обычно  изображенная  пикселами  в  серой
шкале).  В DICOM этим  монохромным  изображениям  сопоставляют  фото-
метрическую  интерпретацию 'MONOCHROME1' (малые  значения  темные,
большие  значения dim) или 'MONOCHROME2' (низие  значения  темные,
большие  значения  яркие).  Однако,  целый  ряд  медицинских  изображений
(УЗИ, позитронно-эмиссионные томограммы и др.) содержат цвет, поэтому
они  описываются  различными  фотометрическими  интерпретациями  (на-
пример, палитра, RGB, CMYK, YBR, и т.д). Некоторые цветные изображе-
ния (например, RGB) хранят 3 цвета в каждом пикселе (красный, зеленый и
синий),  в  то  время  как  монохромные  и  палитровые  изображения  обычно
хранят только один образец на изображение. Каждое изображение хранит 8
бит (256 уровней) или 16 битов (65 535 уровней), хотя некоторые сканеры
сохраняют данные в 12 или 32 битном разрешении. Так что RGB изображе-
ние, хранящее 3 образца в пикселе в 8 битах может потенциально описать
16 миллионов цветов (256

110

4.3. Центр окна и ширина окна (яркость и контраст)

В медицинском отображении обычно говорят о центре окна (window

level, L) и ширине окна (window width, W) изображения.

Уровнем окна называют некоторое центральное значение интенсивно-

стей пикселей изображения. Как правило, по умолчанию задается некоторое
среднее значение интенсивности для всего обрабатываемого набора данных
изображения.

Ширина окна позволяет задавать диапазон интенсивностей пикселов

изображения относительно выбранного уровня окна. Всем пикселам, интен-
сивность которых меньше нижней границы выбранного окна присваивается
нулевой значение (черные на изображении), а всем пикселам, интенсив-
ность которых больше верхней границы – присваивается максимальноя ин-
тенсивность (яркие на изображении). Выбор ширины окна позволяет растя-
нуть тона изображения на полный диапазон яркостей.

Изменение ширины окна меняет контрастность изображения, и измене-

ние уровня окна – его яркость. Эти значения особенно важны для рентгена,
компьютерных или позитронно-эмиссионных томографов, которые создают
последовательно  калиброванные  интенсивности,  что  позволяет  использо-
вать  определенную  пару L/W для  каждого  изображения.  Например  в  ком-
пьютерной томографии при исследованиях легких используют окно с уров-
нем -500 HU и шириной 1500 HU, при исследовании костной системы задаю
окно  с уровнем 500 HU и шириной 2500 HU, в то время как для просмотра
изображений  печении  наиболее  оптимальным  является  окно  с  уровнем 50
HU и шириной 150 HU.

В магнитно-резонансной томографии контраст изображений относите-

лен и зависит от конкретного исследуемого объекта и вида изображения.
Поэтому выбранный уровень и ширина окна, наилучшие для одного прото-
кола, вероятно, не подойдут для другого протокола исследования или дру-
гого аппарата.

Информационные технологии активно внедряются в различные направ-

ления медицины, становясь мощным инструментом в руках врачей. Роль ИТ
в медицине сегодня столь же разнопланова, насколько разнообразна сама
медицина, и уже можно с уверенностью сказать: ИТ не просто дополняют
медицину, они выводят ее на новый качественный уровень.

111

4.4. Подходы к интеграции диагностического оборудования

Информационные технологии имеют ряд преимуществ по сравнению с

традиционными методами ведения карт пациентов и использованием пле-
нок при работе с изображениями:

- мультимодальное 2D и 3D совмещение изображений и их обработка;
- информация о пациенте доступна различным специалистам, в т.ч. и

вне клиники;

- цифровая форма изображений обеспечивает экономию материалов,

времени, а также площадей отводимых под архив.

Интеграция устройств медицинской визуализации в российские инфор-

мационные системы оказывается затруднительной, т.к. большая их часть
произведена за пределами нашей страны и программное обеспечение таких
устройств не русифицировано. Облегчить задачу интеграции может исполь-
зование стандарта DICOM при создании изображений.

Структура сообщений стандарта DICOM позволяет вычленить из сооб-

щений само изображение, игнорируя другую информацию. Тем самым раз-
работчик  может  начать  с  самой  простой  задачи - приема  и  визуализации
изображений,  передаваемых  с  устройств  вторичного  сбора  данных,  напри-
мер  сканеров  рентгеновских  снимков,  но  при  этом  применять  свою  про-
грамму для обработки сообщений, полученных и другими методами визуа-
лизации,  пропуская  дополнительную  информацию. (Этим  подходом  вос-
пользовались фирмы "Федеральное медицинское агентство" и Optiware). За-
тем программу анализа сообщений DICOM можно дополнять функциональ-
ными модулями, обеспечивающими обработку информации. При этом нуж-
но иметь в виду, что при интерпретации снимков одного пациента, инфор-
мация  об  условиях  проведения  исследований,  описанная  в  стандарте
DICOM,  вряд  ли  будет  немедленно  востребована  врачами;  поскольку  она
гораздо важнее для последующей автоматизированной обработки результа-
тов исследований, особенно проводимой с научно-методическими целями.

Существуют разные способы решения задачи интеграции устройств ме-

дицинской визуализации [35]. Например, фирма Siemens в дополнение к ди-
агностическим  устройствам  предлагает  системy SIENET, обеспечивающую
передачу  изображений  на  специализированные  рабочие  станции,  располо-
женные  в  любом  месте  лечебного  учреждения.  Для  этой  передачи  исполь-
зуются собственные протоколы обмена, поэтому система SIENET допускает
прием  и  обработку  изображений,  полученных  в  основном  на  устройствах
производства  фирмы Siemens. Чтобы  сделать  систему  более  открытой,  ее
разработчики включили в нее дополнительную возможность передачи цир-
кулирующих  в  ней  изображений  во  внешние  информационные  системы  и
сети по стандарту DIСОМ.

Другой подход предлагает российская фирма ТАНА. Она использует

112

систему перехвата изображений непосредственно на входе видеомониторов
компьютеров  диагностических  устройств.  Затем  эти  изображения  могут
быть  обработаны  с  помощью  предлагаемого  этой  фирмой  программного
обеспечения и напечатаны или переданы по компьютерной сети. Этот под-
ход дешевле описанного выше и позволяет относительно легко подключать-
ся  к  диагностическим  устройствам  разных  фирм-производителей.  Однако
при этом не обеспечиваются автоматическое получение и дальнейшая пере-
дача  информации  об  условиях  получения  исходных  изображений.  В  своих
технических решениях фирма ТАНА ориентируется в основном на компью-
теры  фирмы Silicon Graphics, но предлагает также  решения для компьюте-
ров Pentium.

Третий подход предлагает германская фирма Optiware, разработавшая

программный  пакет Hipax, в  котором  основная  ставка  делается  на  получе-
ние и передачу медицинских изображений в стандарте DICOM. Ссылки на
DICOM делают и другие поставщики аналогичных пакетов, например фир-
ма Line Imaging, предлагающая  пакет WinRad и  российская  фирма  "Феде-
ральное медицинское  агентство".  Для этих пакетов  характерны  достаточно
скромные требования к используемым компьютерам.

113

4.5. Интеграция систем обработки медицинских изображений и клини-

ческих систем

Создание современной медицинской информационной системы, рассчи-

танной на несколько сотен автоматизированных рабочих мест, представляет
собой многоплановую задачу, включающую в себя:

- построение необходимой инфраструктуры передачи данных;
- приобретение и установку средств вычислительной техники и сис-

темного программного обеспечения;

- приобретение, модернизацию и разработку прикладного программ-

ного обеспечения;

-  обучение персонала вычислительных центров;
-  обеспечение внедрения медицинской информационной системы;
-  обеспечение сопровождения и эксплуатации внедренной системы.

В большинстве случаев клиническая информационная система (КИС)

ориентирована на прием, хранение и обработку текстовых медицинских до-
кументов. Функции обработки медицинских изображений обычно реализу-
ются отдельными специализированными программно-техническими ком-
плексами, взаимодействующими с КИС.

Медицинские изображения делятся на два основных класса: линейные

изображения  (например,  кардиограммы),  типичные  для  функциональной
диагностики, и растровые изображения (например, рентгенограммы), харак-
терные  для  лучевой  диагностики.  Линейные  изображения  нередко  переда-
ются из соответствующей специализированной системы в клиническую ин-
формационную  систему.  Передача  растровых  изображений  в  клиническую
информационную  систему  чаще  всего  не  практикуется.  Для  просмотра  и
обработки  таких  изображений  клиницисты  обычно  получают  возможность
непосредственного соединения по компьютерной сети со специализирован-
ной системой.

В настоящее время комплексная обработка растровых медицинских изо-

бражений осуществляется системами интеграции лучевой диагностики
(Computer Integrated Radiology СИЛД), являющимися неотъемлемыми ком-
понентами медицинской информационной системы. Использовавшийся ра-
нее термин - системы архивирования и передачи медицинских изображений
PACS (Picture Archiving and Communication System) - относится к техниче-
ской реализации и представляет собой часть СИЛД.

СИЛД позволяют сводить в единое целое как промежуточные, так и

окончательные результаты исследований, позволяющих реконструировать
2D и 3D изображение и совместить изображения, полученные с помощью
разных устройств визуализации.

Внедрение СИЛД повышает эффективность проведения исследований,

обеспечивает экономию дорогостоящих расходных материалов, улучшение

114

качества диагностики и улучшение взаимодействия учреждений. При соз-
дании СИЛД используются наиболее современные средства вычислитель-
ной техники и телекоммуникации, включая:

- высокоскоростные локальные и глобальные вычислительные сети на

базе технологий

Fast Ethernet, FDDI и АТМ;

- широкоформатные сканеры рентгеновских пленок с высоким разре-

шением и большим диапазоном передачи оптических плотностей;

- библиотеки магнитооптических дисков, магнитооптические карточки

пациентов;

- многопроцессорные вычислительные комплексы.
Обычно в основе разработки лежит принцип открытой системы, исполь-

зующей наиболее распространенные стандарты обмена данными: стандарт
обмена текстовыми документами HL7 и изображениями DICOM3.0.

Преимущества предоставления результатов обследования на цифровых

носителях:

- возможность записи на один носитель (CD, DVD) полного обследова-

ния (нескольких обследований) пациента – всех серий изображений, а
не "выборочных кадров";

- возможность просмотра цифровой копии исследования на любом

IBM-совместимом персональном компьютере – т.е. возможность пол-
ноценных консультаций в других клиниках;

- возможность передачи изображений по электронным сетям;
- возможность полноценной цифровой постобработки результатов об-

следования на графических станциях;

- длительное время хранения результатов обследования.
Применение СИЛД и ее взаимодействие с КИС при проведении иссле-

дований осуществляется на каждом из этапов исследования [36].

1. Направление пациента на исследование. В информационную систему

передается электронное направление пациента на проведение исследования.

2. Прибытие пациента в отделение. После регистрации пациента СИЛД

создает  электронную  папку  со  сведениями  о  пациенте.  В  эту  папку  будут
помещены  все  полученные  изображения,  которые  затем  будут  переданы  в
архив  изображений,  а  также  оцифрованные  рентгеновские  снимки,  видео-
данные или оптическая карточка, принесенные пациентом.

3. Подборка архивных изображений. По завершению регистрации паци-

ента подсистеме PACS посылается запрос на передачу предшествующих ре-
зультатов исследований данного пациента. Все эти изображения будут на-
ходиться в оперативном архиве и могут быть получены за несколько секунд.

4. Проведение исследования. Данные предыдущих исследований могут

понадобиться для установки режимов получения новых изображений в ходе
исследования. Все вновь полученные изображения включаются в папку па-
циента и оказываются доступными наряду с архивными изображениями.

Современные виды томографии - часть 7