Введение.
В наше время повсеместно все c большим темпом во все сферы деятельности человечества входят компьютерные технологии. Лидирующие области по внедрению компьютерных технологий в быт человека являются бухгалтерия, различные складско-учетные программы. Темпы внедрения компьютерных технологий у нас в стране довольно высокие (за 1999 год Украина заняла 1-е место в мире по скорости внедрения компьютерных технологий), этому есть простое пояснение в нашей стране очень много квалифицированных специалистов по компьютерным технологиям, и пока не наблюдается нехватка этих специалистов (как это наблюдается в развитых странах, например в США). Но не смотря на все сказанное выше, медицина очень отстает по внедрению даже простейших усовершенствованиях, например вся учетная информация ведется на бумаге (не говоря о разработке и внедрении каких-либо экспертных систем). Причины этого понятны, практически вся медицина финансируется государством и бывает больницам не хватает средств на самые необходимые лекарства, не говоря уж и о внедрении компьютерных систем по учету и анализу, практически все медицинское оборудование и программное обеспечение к нему к нам поступает из-за границы в качестве гуманитарной помощи. А некоторые частные больницы и поликлиники если и приобретают какое-либо программное обеспечение то приобретают его за рубежом, что стоит намного дороже, чем стоила бы разработка у отечественных производителей, но и быстрее чем разработка у отечественных производителей. Я надеюсь, что скоро и медицину затронет компьютерный прогресс, тем более что во многих медицинских исследованиях просто не возможно обойтись без компьютера и специального программного обеспечения к нему. В данной работе я попробую предложить такую экспертную систему, которая бы значительно облегчила и улучшила работу врачей, которым приходится работать со снимками с томографа.
Предметная область.
Предметной областью в данном курсовом проекте является расшифровка и анализ снимков полученным томографом, а так же разработка новых методов расшифровки и диагностики снимков.
История открытия и развитие метода компьютерной томографии.
Становление и развитие рентгеновской компьютерной томографии (КТ) связано с фундаментальными исследованиями по математической реконструкции объекта из набора множественных проекций.
В 1962 году E.Kuhl и P.Edwards ,использовав в качестве источника излучения радиоактивный 131I, произвели математическую реконструкцию для получения трансаксиального изображения черепа. Результаты этих исследований в дальнейшем легли в основу разработки аппаратов для эмиссионной компьютерной томографии.
В 1963 году А. Кормак в университете Тафта (Сша) разработал математический метод реконструкции головного мозга с помощью рентгеновского излучения.
Аналогичные исследования, независимо от А. Кормака ,проводились G.N> Housnsfild (1967 -1971) в лаборатории фирмы “EMI”.На основании этих разработок в 1970 году был сконструирован первый рентгеновский компьютерный томограф для исследования головного мозга. Клинические испытания компьютерного томографа, проведенные в госпитале Aktinson Motley совместно с нейрорентгологом J.A Ambrose (1961), показали возможность не только получения изображения головного мозга, но и определения опухолевого очага и его взаимоотношения с окружающими участками мозга.
Первые результаты экспериментальных исследований по применению компьютера для исследования головного мозга в 1972 г были доложены доктором J.A Ambrose на ежегодном конгрессе британских радиологов. И уже на следующий год компьютерный томограф стал функционировать в клинике Меуо (Сша). Убедительные результаты, полученные при использовании КТ в диагностике поражений головного мозга, послужили стимулом для создания КТ для исследования всего тела. Через два года R.S. Lidley (1974) в национальном биомедицинском научном центре Джортауновского университета разработал новый вариант компьютерного томографа для исследования всего тела. Эта установка, названная АСТА-сканер (Automatic Computerized Transverse Aksilar Scanner) начала серийно выпускаться фирмой “Phizer medical system” (США). Клинические испытания аппарата, проведенные в медицинском госпитале университета Миннесота (1975), показали широкие возможности КТ в выявлении поражений головного мозга и различных паренхиматозных органов человека. Создание компьютерных томографов явилось крупным достижением науки и техники, свидетельством чему служит присуждение Нобелевской премии 1979 г. по медицине и биологии ученым Cormak A. (США) и Hanusfild G. (Великобритания) за разработку и конструирование рентгеновского компьютерного томографа.
Успехи, достигнутые с помощью КТ в диагностике различных заболеваний, способствовали быстрому техническому совершенствованию аппаратов и значительному увеличению числа их моделей. В 1980 г. только в США было зарегистрировано 2030 томографов, количество их в развитых странах (США, Япония, ФРГ, Швеция и др. ) составляет от 18 до 22 аппаратов на 1 млн. населения.
В нашей стране первый КТ для исследования головы был разработан в НИИ кабельной промышленности Минэлектротехпрома СССР (1985) совместно с НИИ неврологии АМН СССР.
Быстрое техническое совершенствование КТ значительно повысило эффективность и разрешающую способность метода в диагностике различных заболеваний и сократило время сканирования пациентов. В течение 4-6 лет крупными фирмами США, Франции, Англии, ФРГ ,Японии были созданы и поступили в серийное производство три поколения рентгеновских компьютерных томографов. Если компьютерные томографы 1 поколения имели только один детектор и время сканирования одного среза толщиной 20- 30 мм составляло 5-6 мин, то томографы “ поколения были оснащены 16-60 детекторами и время сканирования одного среза сократилось до 2-3 мин.
Качественный скачок претерпели компьютеры 3 и 4 поколений. При наличии от 512 до 1400 детекторов и ЭВМ большой емкости время сканирования одного среза (2-8 мм) уменьшилось до 2-5 с, что практически позволило исследовать все органы и ткани организма.
Новым достижением в конструкции компьютерных томографов явилось создание “спиральной” КТ, что позволяет на основе непрерывной ротации рентгеновской трубки и движения стола добиться увеличения скорости исследования, повышения разрешающей способность и улучшения качества изображения.
В настоящее время крупные фирмы в США (“Picker”, “General Electric”) и Германии (“Siemens” и “Philips Medical Systems”) начали серийное производство спиральных КТ. Компьютеры этого класса позволяют проводить объемное непрерывное сканирование в пределах 30-40 см анатомического пространства при задержке дыхания, что обеспечивает четкое дифференцирование минимального патологического очага (опухоли метастазы и др.), определение состояния печеночных протоков с оптимальным использованием контрастного вещества.
Проведение с помощью спирального КТ ангиографии с внутривенным введением контрастного вещества и возможность получения трехмерного изображения сосудов открывают широкие возможности изучения патологии сосудистой системы (аневризмы аорты, стеноз почечных артерий, сосудистые анастомозы, наличие внутрисосудистых бляшек и состояния кровообращения головного мозга).
Устройство и общие принципы работы компьютерного томографа.
Современные рентгеновские компьютерные томографы производства различных фирм конструктивно мало отличаются друг от друга и состоят из 4 основных частей: 1)сканирующей системы; 2) рентгеновской системы; 3)пульта управления; 4) специализированной ЭВМ.
Сканирующая система включает рентгеновскую трубку и детекторную систему. В аппаратах 3 поколения рентгеновская трубка и детекторы расположены на одной раме. Детекторная система состоит из 256-512 полупроводниковых элементов или ксеноновых детекторов.
При сканировании пациента комплекс “Рентгеновская трубка - детекторы” совершает вращение вокруг пациента на 360, 1 , 0,5 и 0,25 градусов дает импульсное излучение в виде веерообразного пучка, проходящего через объект, при этом осуществляется регистрация ослабленного излучения детекторной системой.
Внутри сканирующей системы имеется отверстие диаметром 50-70 см, в пути которого пациент при сканировании двигается на транспортере стола.
Сканирующая система при необходимости может наклонятся вперед или назад на 20- 25 градусов.
В компьютерных томографах 4 поколения детекторная система имеет от 1400 до 4800 детекторов, которые расположены по кольцу на раме. Во время сканирования вращается вокруг пациента только рентгеновская трубка.
Стол томографа состоит из основания и подвижной части, на которой крепится ложе-транспортер для укладки пациента. Горизонтальное перемещение пациента при сканировании производится с пульта управления в автоматическом режиме. Поднятие и опускание с перемещением стола при укладке пациента производится от системы управления стола.
Рентгеновская система состоит из трубки и генератора. Рентгеновская трубка мощностью 30-50 кВт работает в импульсном режиме с частотой импульсов 50 Гц при напряжении 100-130 кВт, силе тока 150-200 мА. Трубка имеет двойное охлаждение, сама трубка охлаждается маслом, масло в свою очередь может охлаждается водой или вентилятором. Кроме того, вращающийся анод трубки для защиты от перегрева с обратной стороны покрыт графитом. Поглощение мягкого компонента рентгеновского излучения осуществляется фильтрацией, в трубке имеется коллиматор для ограничения потока излучения.
Генератор высоковольтный - источник питания – работает в импульсном режиме, обеспечивает рентгеновскую трубку напряжением до 100-140 кВ и силой тока до 150-200 мА.
Пульт управления является важным звеном компьютерного томографа, он непосредственно связан со сканирующей системой и ЭВМ. В состав пульта входят: два видеомонитора, один из которых текстовой, другой предназначен для получения изображения срезов; клавиатура для выбора технических параметров сканирования исследуемой области головы или тела (толщина срезов и их количество, скорость сканирования, шаг томографирования, количество снимков и использование “двойного окна”). Кроме того, с помощью клавиатуры осуществляется ввод и вызов программы из ЭВМ и диалог оператора (врача, техника) с ЭВМ, введение данных пациента (толщина срезов, шаг томограммы, изменение масштаба изображения, трансформация аксиальных срезов в саггитальные или коронарные, а также вычитание и сложение полученных срезов). С помощью экрана и светового пера осуществляются измерения плотности зон интереса, расстояния между ними для оценки размера органа или патологического очага и составления гистограмм
На пульте оператора имеются кнопки управления для включения аппарата, индикаторной системы, характеристике работы отдельных узлов (таблица с указанием дозы, толщины слоя и времени измерения, а также программы исследования головы и всего тела).
Перед началом исследования пациента в компьютер вводятся данные о пациенте, исходный диагноз, режим и программа сканирования. После сканирования на видеомониторе и соответственно на каждом срезе томограммы, кроме изображения органа, записывается дополнительная информация:
1)дата и время съемки; название лечебного учреждения;
2) номер среза;
3) фамилия, имя, отчество и возраст пациента;
4) серый клин – показатель плотности и клин размером 5 см для ориентировочной оценки величины плотности;
5) ширина и средний уровень “окна”;
6)номер среза пациента и номер этих срезов в памяти машины.
Функции ЭВМ заключается в обработке предварительной информации, поступившей из детекторов, ее реконструкции и получении изображения органа, оценке выявленных данных по стандартным программам, автоматическом управлении процессом сканирования пациента (хранение и выдача томографических данных). Информация, поступившая в ЭВМ, записывается на магнитный носитель для хранения и обработки, а также фотографируется с помощью приставки “мультиспот” на рентгеновскую пленку, информация с ЭВМ может сниматься на термобумагу.
Общая характеристика компьютерной томографии.
Компьютерная томография обладает рядом преимуществ перед обычным рентгеновским исследованием: а) прежде всего высокой чувствительностью, что позволяет отдифференцировать отдельные ткани друг от друга по плотности в пределах 1-2% ; на обычных рентгенограммах этот показатель составляет 10-20% ; б) в отличие от обычной томографии, где на так называемом трансмиссионном изображении органа (обычный рентгеновский снимок) суммарно переданы все структуры оказавшихся на пути лучей, компьютерная томография позволяет получить изображение органов и патологических очагов только в плоскости исследуемого среза, что дает четкое изображение органов и патологических очагов только в плоскости исследуемого среза, что дает четкое изображение без наслоения выше и ниже лежащих образований; в)КТ дает возможность получить точную количественную информацию о размерах и плотности отдельных органов тканей и паралогических образований, что позволяет делать важные выводы относительно характера поражения; г) КТ позволяет не только судить о состоянии изучаемого органа, но и о взаимоотношении патологического процесса с окружающими органами и тканями, например инвазии опухолей и соседних органы, наличии других патологических изменений; д) КТ позволяет получить томограммы, то есть продольные изображения исследуемой области наподобие рентгеновского снимка путем перемещения больного вдоль неподвижной трубки. Топограммы используются для установления протяженности патологического очага и определения кол-ва срезов.
Данные КТ могут быть использованы для проведения диагностической пункции, и , что особенно важно, она может с успехом применятся не только для выявления патологических изменений, но и для оценки эффективности лечения, в частности противоопухолевой терапии, а также определение рецидивов и сопутствующих осложнений. Диагностика с помощью КТ основана на прямых рентгенологических симптомов, то есть определении точной локализации, формы, размеров отдельных органов и патологического очага , и , что особенно существенно , на показателях плотности или абсорбции. Показатель абсорбции основан на степени поглощения или ослабления пучка рентгеновского излучения при прохождении через тело человека. Каждая ткань в зависимости от плотности , атомной массы , по разному поглощает излучение, поэтому в настоящее время для каждой ткани и органа в норме разработан коэффициент абсорбции (КА) по шкале Хаунсфильда .Согласно этой шкале, КА воды принят за 0 , кости, обладающие наибольшей плотностью, - за + 1000, воздух имеющий наименьшую плотность, - за – 1000. Исходя их этого, для каждого органа выбран средний показатель КА весь диапазон шкалы в котором представлены изображения томограмм на экране видеомонитора, составляет от – 1024 до +1024, но может варьировать при помощи так называемой регулировке окна вплоть до 0. Разрешающая способность КТ зависит от ряда факторов: локализации, формы, величины плотности патологического очага; хорошо выявляются опухоли и другие патологические изменения в органах с естественной контрастностью – голова и шея, легкие, кости, а также органы окруженные жировой клетчаткой. Не представляет трудности диагностика кистозных образований, инородных тел, камней, обизвествленных участков. Минимальная величина опухоли или другого патологического очага, определяемая с помощью КТ колеблется от 0,5 до 1 см при условии, что КА пораженной ткани отличается от КА здоровой ткани на 10- 15 HU.
Для увеличения разрешающей способности КТ была предложена методика “усиления” изображения. Она основана на внутривенном введении рентгеноконтрастных препаратов, в результате которого происходит повышение денситометрической разницы между здоровой тканью и патологическим образованием в следствие их различного кровенаполнения. Увеличение контрастности может быть осуществлено введением в полостные органы газа. Методику “усиление” используют для дифференциальной диагностики злокачественных и доброкачественных образований, когда разности в их плотности отсутствует или незначительна, что не позволяет отграничить патологический очаг от здоровой ткани. Контрастирование также используется при динамических исследованиях для оценки характера и степени функциональных нарушений отдельных органов и систем. Наиболее часто “усиление” используют для выявления опухолей и метастазов в печени, почках и не органных образованьях, где эффективность методики достигает 25%-30%. Использование усиления необходимо для диагностики гемангиом в связи со специфичностью контрастирования тканей опухолей, что позволяет практически исключить необходимость ангиографического исследования. Методика “усиления” дает хорошие результаты также при диагностике патологических образований в головном мозге, средостении и органах малого таза. Методика “усиления” осуществляется перфузионным или инфузионным введением контрастного вещества, иногда контрастные препараты вводятся в близлежащие органы для создания искусственной контрастности, способствующей дифференсиации патологических образований и соседних участков неповрежденной тканей и органов. При использовании методики перфузионного констратирования препарат с концентрацией йода 60-70% вводится одномоментно из расчета 0,8 –1,0 мл/кг массы тела в течении 10-20 секунд. Сканирование проводится до и после “усиления”. Оптимальное время сканирования 10-20 сек. После введения препарата. При инфузионном “усилении” компьютерная томография проводится в течение капельного введения 100-200мл. 30% раствора верографина. Оптимальное время сканирования 8-10 минут. При диагностических исследованиях отдельных органов, крупных сосудов и сердца используется болюсное внутривенное введение 30-40 мл. 60% раствора верографина или урографина в локтевую вену в течении 10-12 сек. С помощью автоматического инъектора с одновременным сканированием. Для сканирования сердца применяется приставка “сериокард”, специальная программа позволяет проводить динамическое исследование сердца синхронно с ЭКГ. Для динамического исследования сердца и крупных сосудов используется последовательное сканирование на разных уровнях томографирования с получением на каждом из них 2-3 срезов со скоростью 7 скенов в 1 мин. После достижения пика контрастирования и компьютерной обработки (сложения скенов) получают информацию о состоянии органов средостения. Для компьютерной ангиографии печени и других органов брюшной полости и малого таза используется болюсное внутривенное введение 20-30 мл. 50% раствора урографина со скоростью 5-8 мл/сек.
С помощью КТ не всегда удается установить природу патологического образования, однако совокупность компьютерно-томографических признаков и данных других инструментальных методов диагностики (радионуклидной, ангиографической, ультразвуковой) в сочетании с клинической картинной представляет возможность судить о природе такого образования.
Постановка задачи.
При создании ЭС необходимо произвести анализ предметной области, который должен включать в себя объект исследования со всем комплексом понятий и знаний о его функционировании, решаемые задачи, цели. И технические требования к технике, на которой будет эксплуатироваться данная задача.
В результате анализа выявляем знания о конкретной предметной области, такие как описания объектов, элементов, явлений, связей и отношений между ними. Кроме этого выявляются действия в определенных ситуациях необходимые для поиска решения задачи. Так же необходимо описать и представить в каком виде будет храниться база знаний.
Технология работы данной ЭС.
Полученный снимок с КТ вместе с дискетой где записана информация по плотности участка ткани передается лечащему врачу. Врач вводит снимок и данные с дискеты в ЭС, ЭС обрабатывает снимок и выдает результат экспертизы данного снимка, возможные поражения тканей и участки в снимке где замечены отклонения с результатом экспертизы по данному участку. Так же по всему снимку имеется возможность увеличения изображения и контрастирования интересующего участка. Каждый снимок сохраняется в базе знаний и при желании его несложно найти. После проведения врачом операции врач заносит на данный снимок информацию какой окончательный был диагноз и на каком участке какое поражение ткани или заболевание было обнаружено, незамеченное ЭС. По всем снимкам необходима возможность вывода наглядной статистической информации. Так же необходима возможность самообучения, то есть если по большому количеству снимков ЭС не выдало отклонения, а доктор (например после проведения оперативного лечения) обнаружил поражение ткани, ЭС должна провести анализ всех снимков и по похожим отклонениям провести анализ и завести новое правило в базу знаний с диагнозом который укажет эксперт (в данном случае конечный пользователь).Так же есть возможность легкого обновления базы знаний из других таких же задач (для наибольшего количества информации для разработки новых правил вывода экспертизы).
Реализация ЭС.
Для разработки данной экспертной системы будут необходимы такие эксперты: доктор диагност по расшифровке снимков (с опытом работы на КТ), лечащий врач который пользуется снимками КТ (специалист по головному мозгу, по желудку….). Необходимо разработать программное обеспечение которое записывало бы данные со специализированной ЭВМ (управляющее КТ), на магнитный носитель для передачи в ЭС, так как уже существуют таблицы которые для каждого участка ткани выдают плотность и доктор выдающий первичное заключение может сказать например какая может быть опухоль в данном месте из известных. А разработка своих методов слишком дорогостоящая и требует большого количества времени и клинических исследований. Базу знаний, по моемому, лучше представлять используя фреймы, так как эта модель обладает всеми необходимыми свойствами для хранения и поиска используемых данных. В данном случае именами фреймов будут служить названия исследуемых органов, а в слотах будут размещаться возможные (известные) отклонения от нормы или симптомы. Одним из способов представления симптомов возможно вербальное описание известной аномалии, например тромб или камень (камень- повышенная плотность для данной ткани и четкие границы). Другим способом описания является представление симптома в виде математической модели. При данном способе описания необходимо составить список переменных описывающих измеряемые параметры (плотность, распределение плотности по поверхности). Из этих переменных составляются выражения описывающие исследуемый объект.
Ввод нового симптома (слота) в исследуемый объект (фрейм) производится экспертом или конечным пользователем. Эксперт формализует аномалию и представляет ее в виде понятном ЭС. Новое знание добавляется в базу знаний и используется при последующих экспертизах. Необходимо так же разработать систему выдачи приблизительной оценки вероятности выдаваемого заключения ЭС. Реализовать это путем ввода в систему эталонного значения для каждого выдаваемого заключения (идеальный вариант), принять данный эталон за 100 % заключения, все последующие заключения выдавать с учетом отклонения от эталона (то есть вероятность правильной выдачи заключения).
Подготовка к эксплуатации.
Необходимо провести полное тестирование данной экспертной системы, начиная с просмотра правильности выдаваемых на экран данных и выводов заканчивая тестированием правильности хранения данных. На первых этапах работы системы каждое заключение системы должно проверятся экспертами и при необходимости исправляться, необходимо протестировать корректность алгоритмов самообучения системы. Так же необходимо протестировать все аппаратное оборудование предназначенное для эксплуатации данной экспертной системы, протестировать систему на реакцию к аппаратным сбоям (не будут ли портится данные и выводы по данным, если обнаружена ошибка в какой либо части базы знаний или базы данных как система прореагирует на это даст ли необходимое сообщение пользователю). Подготовить помощь конечному пользователю как в бумажном виде так и в электронном.
Провести необходимое количество семинарских занятий с конечными пользователями в ходе занятий фиксировать замечания пользователей к интерфейсу по удобству использования и по наглядности, по возможности исправлять, улучшать интерфейс.
Вывод.
Данная экспертная система значительно облегчит работу врачей. Сравнительно небольшая цена разработки данной экспертной системы и не большие требования к программным и аппаратным средствам позволит пользоваться данной задачей практически любому врачу которому необходимо работать с томографическими снимками, не прибегая к помощи специалистов в данной области, а так же облегчит хранение снимков для последующего анализа или для сбора каких либо статистических данных. Так же введенная система самообучение позволит улучшать программу без вмешательства специалистов компьютерщиков и вырабатывать новые методы расшифровки томмограм, так как до сих пор не все заболевания и отклонения можно расшифровать со снимка томографа (возможно эти отклонения просто не заметны для глаза человека на снимке или просто еще не существует метода расшифровки) .