Пусть непрерывное изображение преобразовано в двумерный массив B(x, y) – матрицу из M строк и N столбцов, где (x, y) – дискретные пространственные координаты. Для адресации элементов изображения применяется правосторонняя прямоугольная система координат: начало координат – первый элемент матрицы с координатами (x, y) = (0, 0) расположен в левом верхнем углу изображения, ось x направлена вниз, а ось y – вправо. От выбора значений M и N зависит пространственное разрешение изображения – размер мельчайших различимых деталей на изображении.

Минимальное различимое изменение яркости изображения или яркостное разрешение зависит от выбора числа дискретных уровней (градаций) яркости L. Обычно используется равномерное квантование при L = 2 k, где k – целое положительное число. Так, 8-битному изображению соответствует 256 градаций яркости.

Используемый интервал значений яркости или динамический диапазон изображения устанавливает минимальный и максимальный уровни яркости, которые могут присутствовать в изображении. При этом пределы определяются характеристиками используемой системы съема изображений: верхний предел – насыщением, а нижний – шумом. Если изображение обладает широким динамическим диапазоном с равномерным распределением значений яркости, оно будет ярким и контрастным. Наоборот, изображение с малым динамическим диапазоном обычно выглядит тусклым, размытым и серым.

1.3. Биотехническая система медицинской визуализации

Медицинские изображения – это визуальные сообщения, источниками получения которых являются объекты медико-биологических исследований. По отношению к организму человека объекты медико-биологических исследований можно условно разделить на медицинские – находящиеся в организме человека и представляющие интерес, в первую очередь, для медицины, и биологические – извлеченные из организма человека и представляющие интерес для биологии. Медицинские объекты исследования, в основном, скрыты от непосредственного зрительного восприятия, и, следовательно, требуются определенные условия и технические средства, чтобы их отобразить, не нарушая целостности организма человека. Наблюдателями медицинских изображений обычно являются врачи и другие

10

исследователи (биологи, химики), способные обнаружить и распознать объекты интереса на этих изображениях, несущие диагностическую информацию.

Появление медицинских изображений традиционно связывают с именем Леонардо да Винчи, чьи изображения внутренних органов человека были созданы, исходя из данных, полученных в результате вскрытий. Более ста лет назад было открыто рентгеновское излучение, нашедшее широкое применение в медицине и до настоящего времени занимающее лидирующие позиции по использованию в области диагностики различных заболеваний. Ультразвуковые и изотопные медицинские исследования получили распространение, начиная с 70-80 годов XX века. С развитием компьютерной техники были разработаны томографические методы визуализации, позволяющие получать послойные изображения структур организма и восстанавливать их трехмерное изображение: рентгеновская компьютерная томография, позитронно-эмиссионная томография, магнитно-резонансная томография.

Рассмотрим простейшую биотехническую систему (БТС) медицинской визуализации и осуществляющиеся в ней информационные преобразования (рис. 1.3) [3]. Она содержит следующие блоки: объект исследования, систему съема, систему отображения и исследователя.

Объект исследования (ОИ) может представлять собой какой-либо орган человеческого тела, ткань или биожидкость. Он имеет сложное (и изменяющееся во времени) физико-химическое строение, а также свои особенности и ограничения по использованию различных методов визуализации. Фактически ОИ задает условия работы всей системы медицинской визуализации.

В случае активной визуализации при помощи системы съема на ОИ воздействуют электромагнитным полем R{pN } с параметрами, задаваемыми вектором {pN } размерности N , и регистрируют результат этого

взаимодействия R′{pN′} (в общем случае N′ ≠ N ), который преобразуется в электрический сигнал определенного вида U (t), где t – время. В случае

пассивной визуализации система съема регистрирует излучение от ОИ без дополнительного воздействия на него.

В качестве воздействующего поля чаще всего применяют поля рентгеновского и ультразвукового излучения. При этом точное согласование

11

характеристик излучения R{pN } с параметрами конкретного ОИ

невозможно, в силу неполноты знаний о физических свойствах ОИ. Кроме того, процесс формирования воздействующего на ОИ потока излучения является несовершенным из-за неравномерности распределения спектральной плотности потока излучения в телесном угле. Подобные проблемы, характерные для всех систем съема изображений, применяющихся в медицинской визуализации, приводят к возникновению различных видов не поддающихся точному учету пространственных и энергетических искажений медицинских изображений.

Объект

исследования

Система съема

U (t)

Исследователь

Diag

Рис. 1.3. Биотехническая система медицинской визуализации

Невозможно также точное согласование характеристик преобразователя излучения, прошедшего через ОИ, в электрический сигнал с характеристиками этого излучения (главным образом, спектрального и динамического диапазонов). Искажения также возникают из-за того, что

характеристики преобразователя излучения, прошедшего через ОИ, R′{pN′} в электрический сигнал U (t) отличаются от идеальных (например, его

чувствительность может быть неравномерной по спектру излучения). Полученный в системе съема сигнал U (t) оцифровывается и передается

в систему отображения, где весьма ограниченная часть поступившей информации (искаженная различными шумами) преобразуется (в общем

12

случае с искажениями и нелинейно) в световое распределение в пространстве B{xK ,λ,t} – обычно двумерное статическое монохроматическое изображение B(x,y). Это преобразование происходит в соответствии с

определенным алгоритмом, в зависимости от применяемой системы отображения (мониторы на основе электронно-лучевых трубок, жидкокристаллические и плазменные мониторы).

Несмотря на то, что многие современные системы медицинской визуализации позволяют автоматически ставить диагноз, окончательное решение о наличии у пациента той или иной патологии всегда принимает исследователь (врач), поэтому исследователь – конечный блок БТС медицинской визуализации. Он управляет процессом медицинской визуализации (управляющее воздействие Oper): контролирует процедуру получения изображений, задает требуемые характеристики системы съема и отображения, а также анализирует полученное изображение при помощи зрительной системы. После восприятия полученного изображения оно, как новая информация, интерпретируется исследователем в зависимости от его опыта и прогноза, который он строит; формируется диагноз Diag.

Постановка диагноза на основе анализа медицинских изображений – трудная задача, решение которой требует от исследователя безупречного знания анатомии, функций исследуемого органа и возможных патологических процессов. В связи с этим работа исследователя должна основываться на четкой последовательности действий, которая представлена на рис. 1.4.

В процессе постановки диагноза на основе анализа медицинского изображения исследователь осуществляет:

1.Обнаружение – принятие даже на основании частичной или недостаточной информации решения о том, что в изображении имеется интересующий исследователя объект, например некоторая аномалия.

2.Распознавание – выявление признаков интересующего объекта (симптомов), например размеров и формы аномалии, и сопоставление их с признаками других известных исследователю объектов.

3.Идентификацию – опознание интересующего исследователя объекта, т. е. установление его соответствия некоторому известному объекту, например принятие решения о том, какое заболевание, с точки зрения исследователя, соответствует обнаруженной и распознанной аномалии.

13

Само медицинское изображение при этом может рассматриваться как совокупность некоторого фона – вида исследуемого органа, ткани или клетки

Важно отметить, что, изучая строение ОИ, исследователь (врач) исходит из совокупности симптомов – признаков изображения: соотношений по яркости, положения, формы, величины частей изображения, характера контуров. Четкое разделение нормы и различных патологических процессов, а также дальнейшая дифференциальная диагностика осуществляются благодаря наличию в памяти врача обобщенных образов – оперативноинформационных моделей изображений ОИ, учитывающих половые и возрастные особенности ОИ.

С учетом особенностей информационных преобразований в представленной БТС медицинской визуализации принятие решения об обнаружении или необнаружении интересующего исследователя объекта на анализируемом медицинском изображении будет зависеть от степени

14