Експертна система з розшифровки і аналізу свідчень томографа
Введення.
У наш час повсюдно все c більшим темпом в усі сфери діяльності людства входять комп'ютерні технології. Лідируючі області з впровадження комп'ютерних технологій в повсякденне життя людини є бухгалтерія, різні складське-облікові програми. Темпи впровадження комп'ютерних технологій у нас в країні досить високі (за 1999 рік Україна зайняла 1-е місце у світі за швидкістю впровадження комп'ютерних технологій), цьому є просте пояснення в нашій країні дуже багато кваліфікованих фахівців з комп'ютерних технологій, і поки не спостерігається брак цих фахівців (як це спостерігається в розвинених країнах, наприклад у США). Але не дивлячись на все сказане вище, медицина дуже відстає по впровадженню навіть найпростіших вдосконалення, наприклад вся облікова інформація ведеться на папері (не кажучи про розробку й впровадження будь-яких експертних систем). Причини цього зрозумілі, практично вся медицина фінансується державою і буває лікарням не вистачає коштів на найнеобхідніші ліки, не кажучи вже і про впровадження комп'ютерних систем з обліку і аналізу, практично всі медичне обладнання та програмне забезпечення до нього до нас надходить з-за кордону в як гуманітарна допомога. А деякі приватні лікарні та поліклініки якщо й купують будь-яке програмне забезпечення то купують його за кордоном, що коштує набагато дорожче, ніж коштувала б розробка у вітчизняних виробників, але і швидше ніж розробка у вітчизняних виробників. Я сподіваюся, що скоро і медицину торкнеться комп'ютерний прогрес, тим більше що в багатьох медичних дослідженнях просто не можливо обійтися без комп'ютера і спеціального програмного забезпечення до нього. У даній роботі я спробую запропонувати таку експертну систему, яка б значно полегшила і поліпшила роботу лікарів, яким доводиться працювати зі знімками з томографа.
Предметна область.
предметною областю в даному курсовому проекті є розшифровка та аналіз знімків отриманим томографом, а так само розробка нових методів розшифровки і діагностики знімків.
Історія відкриття та розвиток методу комп'ютерної томографії.
Становлення і розвиток рентгенівської комп'ютерної томографії (КТ) пов'язане з фундаментальними дослідженнями з математичної реконструкції об'єкта з набору множинних проекцій.
У 1962 році E. Kuhl і P. Edwards, використавши в якості джерела випромінювання радіоактивний 131I, виробили математичну реконструкцію для отримання трансаксіального зображення черепа. Результати цих досліджень в подальшому лягли в основу розробки апаратів для емісійної комп'ютерної томографії.
У 1963 році А. Кормак в університеті Тафта (США) розробив математичний метод реконструкції головного мозку за допомогою рентгенівського випромінювання.
Аналогічні дослідження, незалежно від А. Кормака, проводилися GN> Housnsfild (1967 -1971) в лабораторії фірми "EMI". На підставі цих розробок у 1970 році був сконструйований перший рентгенівський комп'ютерний томограф для дослідження головного мозку. Клінічні випробування комп'ютерного томографа, проведені в госпіталі Aktinson Motley спільно з нейрорентгологом JA Ambrose (1961), показали можливість не тільки отримання зображення головного мозку, але й визначення пухлинного вогнища і його взаємини з оточуючими ділянками мозку.
Перші результати експериментальних досліджень щодо застосування комп'ютера для дослідження головного мозку в 1972 р були повідомлені доктором JA Ambrose на щорічному конгресі британських радіологів. І вже наступного року комп'ютерний томограф став функціонувати в клініці Меуо (США). Переконливі результати, отримані при використанні КТ в діагностиці уражень головного мозку, послужили стимулом для створення КТ для дослідження всього тіла. Через два роки R.S. Lidley (1974) в національному біомедичної науковому центрі Джортауновского університету розробив новий варіант комп'ютерного томографа для дослідження всього тіла. Ця установка, названа АСТА-сканер (Automatic Computerized Transverse Aksilar Scanner) почала серійно випускатися фірмою "Phizer medical system" (США). Клінічні випробування апарату, проведені в медичному госпіталі університету Міннесота (1975), показали широкі можливості КТ у виявленні уражень головного мозку і різних паренхіматозних органів людини. Створення комп'ютерних томографів стало великим досягненням науки і техніки, свідченням чого служить присудження Нобелівської премії 1979 р. по медицині та біології вченим Cormak A. (США) і Hanusfild G. (Великобританія) за розробку і конструювання рентгенівського комп'ютерного томографа.
Успіхи, досягнуті за допомогою КТ у діагностиці різних захворювань, сприяли швидкому технічному вдосконаленню апаратів і значного збільшення числа їх моделей. У 1980 р. тільки в США було зареєстровано 2030 томографів, кількість їх у розвинених країнах (США, Японія, ФРН, Швеція та ін) становить від 18 до 22 апаратів на 1 млн. населення.
У нашій країні перший КТ для дослідження голови був розроблений в НДІ кабельної промисловості Мінелектротехпромом СРСР (1985) спільно з НДІ неврології АМН СРСР.
Швидке технічне удосконалення КТ значно підвищило ефективність і роздільну здатність методу в діагностиці різних захворювань і скоротило час сканування пацієнтів. Протягом 4-6 років великими фірмами США, Франції, Англії, ФРН, Японії були створені і надійшли в серійне виробництво три покоління рентгенівських комп'ютерних томографів. Якщо комп'ютерні томографи 1 покоління мали тільки один детектор і час сканування одного зрізу товщиною 20 - 30 мм складає 5-6 хв, то томографи "покоління були оснащені 16-60 детекторами і час сканування одного зрізу скоротилася до 2-3 хв.
Якісний стрибок зазнали комп'ютери 3 і 4 поколінь. За наявності від 512 до 1400 детекторів і ЕОМ великої ємності час сканування одного зрізу (2-8 мм) зменшилася до 2-5 с, що практично дозволило дослідити всі органи і тканини організму.
Новим досягненням в конструкції комп'ютерних томографів стало створення "спіральної" КТ, що дозволяє на основі безперервної ротації рентгенівської трубки і руху столу домогтися збільшення швидкості дослідження, підвищення роздільної здатність і поліпшення якості зображення.
У цей час великі фірми в США ( "Picker", "General Electric") та Німеччини ( "Siemens" та "Philips Medical Systems") розпочали серійне виробництво спіральних КТ. Комп'ютери цього класу дозволяють проводити об'ємне безперервне сканування в межах 30-40 см анатомічного простору при затримці дихання, що забезпечує чітке диференціювання мінімального патологічного вогнища (метастази пухлини тощо), визначення стану печінкових проток з оптимальним використанням контрастної речовини.
Проведення за допомогою спірального КТ ангіографії з внутрішньовенним введенням контрастної речовини і можливість отримання тривимірного зображення судин відкривають широкі можливості вивчення патології судинної системи (аневризми аорти, стеноз ниркових артерій, судинні анастомози, наявність внутрішньосудинних бляшок і стану кровообігу головного мозку).
Пристрій і загальні принципи роботи комп'ютерного томографа.
Сучасні рентгенівські комп'ютерні томографи виробництва різних фірм конструктивно мало відрізняються один від одного і складаються з 4 основних частин: 1) скануючої системи; 2) рентгенівської системи; 3) пульта управління; 4) спеціалізованої ЕОМ.
Скануюча система включає рентгенівську трубку і детекторну систему. В апаратах 3 покоління рентгенівська трубка і детектори розташовані на одній рамі. Детекторна система складається з 256-512 напівпровідникових елементів або ксенонових детекторів.
При скануванні пацієнта комплекс "Рентгенівська трубка - детектори" здійснює обертання навколо пацієнта на 360, 1, 0,5 і 0,25 градусів дає імпульсне випромінювання у вигляді віялоподібною пучка, що проходить через об'єкт, при цьому здійснюється реєстрація ослабленого випромінювання детекторний системою .
Всередині скануючої системи є отвір діаметром 50-70 см, в дорозі якого пацієнт при скануванні рухається на транспортері столу.
Скануюча система при необхідності може нахиляться вперед або назад на 20 - 25 градусів.
У комп'ютерних томографах 4 покоління детекторна система має від 1400 до 4800 детекторів, які розташовані по кільцю на рамі. Під час сканування обертається навколо пацієнта тільки рентгенівська трубка.
Стіл томографа складається з основи і рухомої частини, на якій кріпиться ложі-транспортер для укладання пацієнта. Горизонтальне переміщення пацієнта при скануванні проводиться з пульта керування в автоматичному режимі. Підняття і опускання з переміщенням столу при укладанні пацієнта здійснюється від системи управління столу.
Рентгенівська система складається з трубки і генератора. Рентгенівська трубка потужністю 30-50 кВт працює в імпульсному режимі з частотою імпульсів 50 Гц при напрузі 100-130 кВт, силі струму 150-200 мА. Трубка має подвійне охолодження, сама трубка охолоджується маслом, масло в свою чергу може охолоджується водою або вентилятором. Крім того, що обертається анод трубки для захисту від перегріву зі зворотного боку покритий графітом. Поглинання м'якого компонента рентгенівського випромінювання здійснюється фільтрацією, в трубці є коліматор для обмеження потоку випромінювання.
Генератор високовольтний - джерело живлення - працює в імпульсному режимі, забезпечує рентгенівську трубку напругою до 100-140 кВ і силою струму до 150-200 мА.
Пульт управління є важливою ланкою комп'ютерного томографа, він безпосередньо пов'язаний з скануючою системою і ЕОМ. До складу пульта входять: два відеомонітора, один з яких текстової, інший призначений для отримання зображення зрізів; клавіатура для вибору технічних параметрів сканування досліджуваної області голови або тіла (товщина зрізів і їх кількість, швидкість сканування, крок томографірованія, кількість знімків і використання "подвійного вікна "). Крім того, за допомогою клавіатури здійснюється введення і виклик програми з ЕОМ і діалог оператора (лікаря, техніки) з ЕОМ, введення даних пацієнта (товщина зрізів, крок томограми, зміна масштабу зображення, трансформація аксіальні зрізів в саггітальние або коронарні, а також віднімання і додавання отриманих зрізів). За допомогою екрана і світлового пера здійснюються вимірювання щільності зон інтересу, відстані між ними для оцінки розміру органу або патологічного вогнища і складання гістограм
На пульті оператора є кнопки керування для включення апарату, індикаторної системи, характеристиці роботи окремих вузлів (таблиця із зазначенням дози, товщини шару і часу вимірювання, а також програми дослідження голови і всього тіла).
Перед початком дослідження пацієнта в комп'ютер вводяться дані про пацієнта, початковий діагноз, режим і програма сканування. Після сканування на відео монітор і відповідно на кожному зрізі томограми, крім зображення органу, записується додаткова інформація:
1) дата і час зйомки; назва лікувального закладу;
2) номер зрізу;
3) прізвище, ім'я, по батькові і вік пацієнта;
4) сірий клин - показник щільності і клин розміром 5 см для орієнтовної оцінки величини щільності;
5) ширина і середній рівень "вікна";
6) номер зрізу пацієнта і номер цих зрізів в пам'яті машини.
Опції ЕОМ полягає в обробці попередньою інформацією, що надійшла з детекторів, її реконструкції та отриманні зображення органу, оцінки виявлених даних за стандартними програмами, автоматичному управлінні процесом сканування пацієнта (зберігання і видача томографічних даних). Інформація, що надійшла в ЕОМ, записується на магнітний носій для зберігання і обробки, а також фотографується з допомогою приставки "мультіспот" на рентгенівську плівку, інформація з ЕОМ може зніматися на термобумагу.
Загальна характеристика комп'ютерної томографії.
Комп'ютерна томографія має ряд переваг перед звичайним рентгенівським дослідженням: а) насамперед високою чутливістю, що дозволяє віддиференціювати окремі тканини один від одного по щільності в межах 1-2%; на звичайних рентгенограмах цей показник становить 10-20%; б) на відміну від звичайної томографії, де на так званому трансмиссионное зображенні органу (звичайний рентгенівський знімок) сумарно передані всі структури які опинилися на шляху променів, комп'ютерна томографія дозволяє отримати зображення органів і патологічних вогнищ тільки в площині досліджуваного зрізу, що дає чітке зображення органів і патологічних вогнищ тільки в площині досліджуваного зрізу, що дає чітке зображення без нашарування вище і нижче лежать утворень; в) КТ дає можливість отримати точну кількісну інформацію про розміри і щільності окремих органів тканин і паралогіческіх утворень, що дозволяє робити важливі висновки щодо характеру ураження; г) КТ дозволяє не тільки робити висновки про стан досліджуваного органу, а й про взаємовідносини патологічного процесу з оточуючими органами та тканинами, наприклад інвазії пухлин і сусідніх органи, наявності інших патологічних змін; д) КТ дозволяє отримати томограми, тобто поздовжні зображення досліджуваної області на зразок рентгенівського знімка шляхом переміщення хворого вздовж нерухомої трубки. Топограмми використовуються для встановлення протяжності патологічного вогнища і визначення кол-ва зрізів.
Дані КТ можуть бути використані для проведення діагностичної пункції, і, що особливо важливо, вона може з успіхом застосовуватися не тільки для виявлення патологічних змін, але і для оцінки ефективності лікування, зокрема протипухлинної терапії, а також визначення рецидивів і супутніх ускладнень . Діагностика за допомогою КТ заснована на прямих рентгенологічних симптомів, тобто визначення точної локалізації, форми, розмірів окремих органів і патологічного вогнища, і, що особливо важливо, на показниках щільності або абсорбції. Показник абсорбції заснований на ступеня поглинання або послаблення пучка рентгенівського випромінювання при проходженні через тіло людини. Кожна тканина залежно від щільності, атомної маси, по різному поглинає випромінювання, тому в даний час для кожної тканини та органу в нормі розроблений коефіцієнт абсорбції (КА) за шкалою Хаунсфільда. Згідно з цією шкалою, КА води прийнято за 0, кістки, що володіють найбільшою щільністю, - за + 1000, повітря має найменшу щільність, - за - 1000. Виходячи з цього, для кожного органу обраний середній показник КА весь діапазон шкали в якому представлені зображення томограм на екрані відеомонітора, становить від - 1024 до 1024, але може варіювати за допомогою так званої регулюванні вікна аж до 0. Роздільна здатність КТ залежить від ряду чинників: локалізації, форми, величини щільності патологічного вогнища; добре виявляються пухлини та інші патологічні зміни в органах з природною контрастністю - голова і шия, легені, кістки, а також органи оточені жирової клітковиною. Чи не становить труднощі діагностика кістозних утворень, сторонніх тіл, каміння, обізвествленних ділянок. Мінімальна величина пухлини або іншого патологічного вогнища, що визначається за допомогою КТ коливається від 0,5 до 1 см за умови, що КА ураженої тканини відрізняється від КА здорової тканини на 10 - 15 HU.
Для збільшення роздільної здатності КТ була запропонована методика "посилення" зображення. Вона заснована на внутрішньовенному введенні рентгеноконтрастних препаратів, в результаті якого відбувається підвищення денситометричної різниці між здоровою тканиною та патологічним утворенням в наслідок їх різного кровонаповнення. Збільшення контрастності може бути здійснено введенням в порожнинні органи газу. Методику "посилення" використовують для диференціальної діагностики злоякісних і доброякісних утворень, коли різниці в їх щільності відсутня або незначна, що не дозволяє відмежувати патологічний осередок від здорової тканини. Контрастування також використовується при динамічних дослідженнях для оцінки характеру і ступеня функціональних порушень окремих органів і систем. Найчастіше "посилення" використовують для виявлення пухлин і метастазів в печінці, нирках і не органних утворений?? ях, де ефективність методики досягає 25% -30%. Використання посилення необхідно для діагностики гемангіом у зв'язку зі специфічністю контрастування тканин пухлин, що дозволяє практично виключити необхідність ангіографічної дослідження. Методика "посилення" дає гарні результати також при діагностиці патологічних утворень у головному мозку, середостінні та органах малого тазу. Методика "посилення" здійснюється перфузійні або інфузійних введенням контрастної речовини, іноді контрастні препарати вводяться в прилеглі органи для створення штучної контрастності, що сприяє діфференсіаціі патологічних утворень і сусідніх ділянок непошкодженою тканин і органів. При використанні методики перфузионного констратірованія препарат з концентрацією йоду 60-70% запроваджується одномоментно з розрахунку 0,8 -1,0 мл/кг маси тіла протягом 10-20 секунд. Сканування проводиться до і після "посилення". Оптимальний час сканування 10-20 сек. Після введення препарату. При інфузійному "посилення" комп'ютерна томографія проводиться протягом крапельного введення 100-200мл. 30% розчину верографина. Оптимальний час сканування 8-10 хвилин. При діагностичних дослідженнях окремих органів, великих судин і серця використовується болюсне внутрішньовенне введення 30-40 мл. 60% розчину верографина або урографіна в ліктьову вену в через 10-12 сек. За допомогою автоматичного ін'єктора з одночасним скануванням. Для сканування серця застосовується приставка "серіокард", спеціальна програма дозволяє проводити динамічне дослідження серця синхронно з ЕКГ. Для динамічного дослідження серця і великих судин використовується послідовне сканування на різних рівнях томографірованія з отриманням на кожному з них 2-3 зрізів зі швидкістю 7 скеною в 1 хв. Після досягнення піку контрастування та комп'ютерної обробки (складання скеною) отримують інформацію про стан органів середостіння. Для комп'ютерної ангіографії печінки та інших органів черевної порожнини і малого тазу використовується болюсне внутрішньовенне введення 20-30 мл. 50% розчину урографіна зі швидкістю 5-8 мл/сек.
За допомогою КТ не завжди вдається встановити природу патологічного освіти, проте сукупність комп'ютерно-томографічних ознак і даних інших інструментальних методів діагностики (радіонуклідної, ангіографічної, ультразвуковий) у поєднанні з клінічною картинної представляє можливість судити про природу такої освіти.
Постановка завдання.
При створенні ЕС необхідно провести аналіз предметної області, який повинен включати в себе об'єкт дослідження з усім комплексом понять і знань про його функціонування, які вирішуються завдання, цілі. І технічні вимоги до техніки, на якій буде експлуатуватися дане завдання.
У результаті аналізу виявляємо знання про конкретну предметної області, такі як опису об'єктів, елементів, явищ, зв'язків і відносин між ними. Крім цього виявляються дії в певних ситуаціях необхідні для пошуку рішення завдання. Так само необхідно описати і представити в якому вигляді буде зберігатися база знань.
Технологія роботи даної ЕС.
Отриманий знімок з КТ разом з дискетою де записана інформація по щільності ділянки тканини передається лікаря. Лікар вводить знімок і дані з дискети в ЕС, ЕС обробляє знімок і видає результат експертизи даного знімка, можливі ураження тканин і ділянки в знімку де помічені відхилення з результатом експертизи по даній дільниці. Так само по всьому знімку є можливість збільшення зображення і контрастування цікавить ділянки. Кожен знімок зберігається в базі знань і при бажанні його нескладно знайти. Після проведення лікарем операції лікар заносить на даний знімок інформацію який був остаточний діагноз і на якій ділянці яке ураження тканини або захворювання було виявлено, непомічене ЕС. По всіх знімках необхідна можливість виведення наочної статистичної інформації. Так само необхідна можливість самонавчання, тобто якщо по великій кількості знімків ЕС не видало відхилення, а доктор (наприклад після проведення оперативного лікування) виявив ураження тканини, ЕС повинна провести аналіз всіх знімків і за схожими відхилень провести аналіз і завести нове правило в базу знань з діагнозом який вкаже експерт (у даному випадку кінцевий користувач). Так само є можливість легкого оновлення бази знань з інших таких же завдань (для найбільшої кількості інформації для розробки нових правил висновку експертизи).
Реалізація ЕС.
Для розробки даної експертної системи будуть необхідні такі експерти: доктор діагност з розшифровки знімків (з досвідом роботи на КТ), лікуючий лікар який користується знімками КТ (спеціаліст по головному мозку, по шлунку ....). Необхідно розробити програмне забезпечення які записували б дані зі спеціалізованої ЕОМ (управляє КТ), на магнітний носій для передачі в ЕС, тому що вже існують таблиці які для кожної ділянки тканини видають щільність і доктор видає первинне висновок може сказати наприклад яка може бути пухлина в даному місці з відомих. А розробка своїх методів дуже дорога і вимагає великої кількості часу і клінічних досліджень. Базу знань, по моєму, краще представляти використовуючи фрейми, так як ця модель володіє всіма необхідними властивостями для зберігання і пошуку використовуваних даних. У даному випадку іменами фреймів будуть служити назви досліджуваних органів, а в слотах розміщуватимуться можливі (відомі) відхилення від норми або симптоми. Одним із способів подання симптомів можливо вербальне опис відомої аномалії, наприклад тромб або камінь (камінь-підвищена щільність для даної тканини і чітка межа). Іншим способом опису є представлення симптому у вигляді математичної моделі. При цьому способі опису необхідно скласти список змінних що описують вимірювані параметри (щільність, розподіл щільності по поверхні). З цих змінних складаються вирази описують досліджуваний об'єкт.
Введення нового симптому (слоти) у досліджуваний об'єкт (фрейм) проводиться експертом або кінцевим користувачем. Експерт формалізує аномалію і представляє її у вигляді зрозумілою ЕС. Нове знання додається до бази знань і використовується при подальших експертизах. Необхідно також розробити систему видачі приблизної оцінки ймовірності що видається укладення ЕС. Реалізувати це шляхом введення в систему еталонного значення для кожного що видається ув'язнення (ідеальний варіант), прийняти даний еталон за 100% ув'язнення, всі наступні висновки видавати з урахуванням відхилення від еталона (тобто ймовірність правильної видачі висновку).
Підготовка до експлуатації.
Необхідно провести повне тестування цієї експертної системи, починаючи з перегляду правильності які видаються на екран даних та висновків закінчуючи тестуванням правильності зберігання даних. На перших етапах роботи системи кожне висновок системи має перевірятися експертами і при необхідності виправлятися, необхідно протестувати коректність алгоритмів самонавчання системи. Так само необхідно протестувати все апаратне обладнання призначене для експлуатації даної експертної системи, протестувати систему на реакцію до апаратних збоїв (чи не будуть псується дані і висновки за даними, якщо виявлена помилка в будь-якої частини бази знань чи бази даних як система прореагує на це дасть Чи потрібне повідомлення користувачеві). Підготувати допомогу кінцевому користувачеві як в паперовому вигляді так і в електронному.
Провести необхідну кількість семінарських занять з кінцевими користувачами в ході занять фіксувати зауваження користувачів до інтерфейсу по зручності використання і по наочності, по можливості виправляти, покращувати інтерфейс.
Висновок.
Дана експертна система значно полегшить роботу лікарів. Порівняно невелика ціна розробки даної експертної системи і не великі вимоги до програмних і апаратних засобів дозволить користуватися даним завданням практично будь-якого лікаря з яким необхідно працювати з томографічних знімків, не вдаючись до допомоги фахівців у цій галузі, а також полегшить зберігання знімків для подальшого аналізу або для збору будь-яких статистичних даних. Так само введена система самонавчання дозволить покращувати програму без втручання фахівців комп'ютерників і виробляти нові методи розшифровки томмограм, тому що до цих пір не всі захворювання та відхилення можна розшифрувати зі знімка томографа (можливо ці відхилення просто не помітні для ока людини на знімку або просто ще не існує методу розшифровки).
