Способ формирования томографических изображений

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к комбинации реконструктивных подходов ультразвуковой и рентгеновской визуализации, и может быть использовано для проведения диагностики различных патологий внутренних органов. Способ формирования томографических изображений включает проведение сканирований исследуемой неоднородности рентгеновским и акустическим методами на одном и том же наборе срезов, получение спектров каждого среза обоими методами и итогового изображения неоднородности. Рентгеновское сканирование проводят один раз и полученные при этом пространственные спектры изображений набора срезов сохраняют. При проведении повторной диагностики проводят только акустическое сканирование, объединение спектров каждого среза осуществляют одновременным формированием рентгеновского и акустического сканирований или использованием маркера на первом срезе, при этом при акустическом сканировании фиксируют по окружности вокруг исследуемой неоднородности компоненты рассеянного поля излучения. Использование изобретения позволяет повысить качество реконструкции изображений без усложнения диагностирующей аппаратуры. 5 ил.

 

Способ относится к медицинской технике, в частности к комбинации реконструктивных подходов ультразвуковой и рентгеновской визуализации, и может быть использован для проведения диагностики различных патологий внутренних органов.

Для визуализации и диагностики внутренних органов используется ряд способов активного сканирования: рентгеновская компьютерная томография (РКТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), однофотонная эмиссионная томография (ОФЭТ), дифракционная томография (ДТ) /1-4/. Каждый из этих способов не свободен от недостатков. Так, РКТ подвергает пациента лучевой нагрузке, в ОФЭТ и ПЭТ необходимо применение радиофармпрепаратов, а для ДТ отсутствуют эффективные методы визуализации /3/. Известны подходы к решению задачи реконструкции, использующие сочетание томографических методов, базирующиеся на различных физических принципах /5/. При этом проблематичным остается повышение качества диагностики в процессе совмещения двух или более томографических методов, при котором нежелательные эффекты каждого из томографических методов, такие как лучевая нагрузка на пациента в РКТ или применение радиофармпрепаратов в ОФЭТ, не оказывали бы существенного влияния.

Известен способ совмещения трехмерных изображений, полученных в процессе компьютерного томографического эксперимента, функционирующего в комплексном режиме и базирующегося на различных физических принципах. Этот способ принят в качестве прототипа /5/. Способ заключается в размещении в подвергающейся сканированию области хорошо распознаваемых в каждом из томографических исследований маркеров, получении трехмерных изображений данной области каждым из методов с последующим преобразованием и совмещением изображений по маркерам, количество маркеров однозначно задает пространственную локализацию исследуемой зоны, выбор базового трехмерного изображения, предпочтительно метода с максимальным пространственным разрешением, определение по маркерам реперных точек, а также выбор реперных точек на одном из дополнительных трехмерных изображений, совмещение их с реперными точками базового трехмерного изображения и интерполяция данных дополнительного трехмерного изображения на трехмерную сетку базового изображения. Это позволяет одновременно анализировать данные всех томографических исследований пациента.

В известном способе используется формирование изображений посредством объединения различных томографических методов. Однако при использовании данного способа необходимо применение маркеров, что предполагает реализацию процедуры совмещения восстановленных изображений по реперным точкам. Кроме того, в способе никак не предотвращается влияние побочных факторов каждого из томографических методов, т.е. способ базируется на улучшении качества реконструируемых изображений, а вредное влияние каждого из используемых томографических методов не уменьшается. Таким образом, данный способ сопровождается увеличением нежелательных факторов, таких как необходимость применения радиофармпрепаратов и использования маркеров, кроме того, в случае применения в способе РКТ пациент подвергается дополнительной лучевой нагрузке.

Цель изобретения - повышение качества визуализации внутренних структур и уменьшение вредного воздействия ионизирующего излучения на пациента при совмещении двух методов визуализации: рентгеновского и дифракционного (волнового). Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении качества получаемых трехмерных изображений внутренних структур.

Способ заключается в совместном применении двух методов томографических исследований, а именно рентгеновского и дифракционного (волнового). Проводят рентгеновское сканирование исследуемой области на наборе срезов N, отстоящих друг от друга на расстоянии l, после чего полученные пространственные спектры изображений сохраняют.

Проводят волновое сканирование на том же наборе срезов N и получают второй набор спектров. При проведении волнового сканирования используется не стандартная проекционная схема съема данных, а круговая схема съема данных, дающая при проведении реконструкции более качественное изображение. Ее особенность заключается в том, что при каждом акте сканирования рассеянное неоднородностью излучение фиксируется по всей окружности вокруг объекта, что позволяет зафиксировать «рассеянные назад» компоненты излучения. За счет этого для одного и того же количества направлений сканирования круговая схема по сравнению с используемой проекционной обеспечивает получение дополнительных данных для восстановления изображения, что в свою очередь повышает качество реконструкции.

Следует отметить, что применение круговой схемы съема данных не усложняет диагностирующую аппаратуру и наравне с этим значительно улучшает качество реконструкции изображений.

Рассеяние происходит не только внутри каждого аксиального слоя, но также происходит и перекрестное рассеяние между слоями. Однако, вносимые погрешности перекрестным рассеянием столь малы, что не вносят существенных погрешностей в восстановленное изображение.

После проведения рентгеновского и волнового сканирований для каждого среза получают два спектра, которые затем объединяют, и из объединенного спектра реконструируют изображение соответствующего среза. Восстановленное из объединенного спектра изображение является более информативным, по сравнению с каждым из этих методов по отдельности. Погрешности совмещения срезов при рентгеновском и волновом сканировании являются несущественными, так что вносимые погрешности не ухудшают качества итогового изображения. Это достигается одним из двух способов: одновременном формировании рентгеновского и волнового сканирований произвольного среза, а также и при использовании маркера на первом срезе.

Для каждого пациента спектры отдельного среза, полученные при рентгеновском сканировании, сохраняются в отдельный файл. В последующем, при необходимости проведения повторной диагностики проводится лишь волновое сканирование, и полученные спектры аксиальных срезов объединяются с соответствующими рентгеновскими, сохраненными в процессе первого диагностического сканирования.

Это уменьшает влияние ионизирующего излучения, которому подвергается пациент при рентгеновском исследовании за счет однократного проведения рентгеновского сканирования.

Использование рентгеновских данных спектра, полученных в значительно более ранние сроки, полностью компенсируется после объединения спектров с вновь проведенным волновым сканированием. Динамические изменения, происходящие в исследуемом объекте, отражаются на структуре итогового восстановленного изображения, что, однако, не влияет на точность проводимой диагностики.

При обнаружении каких-либо изменений в исследуемой области существует возможность провести повторное сканирование, обеспечив, тем самым, необходимое качество итоговой реконструкции.

Таким образом, использование предложенного метода в медицинской диагностике позволяет проводить диагностику пациента чаще, повышая шанс зафиксировать возможные изменения патологического характера на более ранних стадиях. Кроме того, высокая информативность каждого из методов также обеспечивает существенное улучшение качества формируемых изображений.

На Фиг.1 представлена блок-схема получения мультивизуального изображения, формируемого в процессе совмещения рентгеновского и волнового томографических методов, где 1 - блок рентгеновского сканирования, 2 - блок акустического сканирования, 3 - блок сохранения и преобразования полученных данных, 4 - блок совмещения полученных изображений, 5 - блок обработки изображений, 6 - блок анализа, 7 - вывод на дисплей.

Фиг.2 и 3 иллюстрируют геометрическое место компонент пространственного спектра лучевого и волнового методов соответственно. Для наглядности и читаемости геометрического места компонент спектра на Фиг.2 и 3 показано значительно меньшее число элементов приемной апертуры, а также количество направлений сканирования, по сравнению с реальными условиями томографических экспериментов. В противном случае, при данном разрешении печати эти рисунки представляли бы собой лишь черные залитые окружности и не давали никакой информации о структуре спектра. Из Фиг.2 и 3 видно, что волновая модель получения изображений дает более детальную структуру объекта, это связано с тем, что спектральные отсчеты, образующиеся при проведении волнового сканирования, оказываются расположенными ближе к границам информационного круга, что соответствует сбору информации о высокочастотной структуре объекта, то есть о более мелких неоднородностях.

Фиг.4 доказывает эффективность применения многомодальной (мультивизуальной) технологии совмещением лучевой и волновой моделей реконструкции изображений, а именно демонстрирует характер объединенного спектра этих методов. Видно, что информационная область, являющаяся объединением данных методов, более густо заполнена информативными элементами по сравнению с отдельными картинами, сформированными в рамках лучевой и волновой моделей.

На Фиг.5 демонстрируются круговая схема съема данных и компоненты пространственного спектра неоднородности, поддающиеся определению при трех положениях приемного преобразователя, где S - излучатель; E₁, Е₂, E₃ - три положения приемного преобразователя, a - угол направления сканирования, b1, b2, и b3 - углы направления регистрации рассеянного излучения.

Блок рентгеновского сканирования - это рентгеновский томограф, производящий послойную структуру объекта, блок акустического сканирования - волновой сканер, сканирующий тот же объект и по тем же срезам, что и в рентгеновском случае.

Эти два блока образуют группу, так как рентгеновское и волновое сканирования могут на первом этапе проводиться как одновременно, так и по очереди. Как показано выше, во втором и последующих измерениях будет проводиться лишь безвредное волновое сканирование. Блок сохранения и преобразования полученных данных служит для преобразования полученного набора данных о структуре объекта в пригодный для отображения на дисплее вид, а именно проводит интерполяцию полученных данных на эквидистантную сетку.

Данные, получаемые при волновом сканировании, оказываются расположенными на полуокружностях, а не в узлах декартовой сетки. Из-за этого появляется необходимость совмещения двух сеток данных - круговой и декартовой. Наиболее приемлемыми для этого являются интерполяционные алгоритмы. Блок совмещения полученных изображений служит для совмещения рентгеновских и акустических данных. Как известно, рентгеновское сканирование дает информацию о поглощающей способности каждого участка исследуемого объекта, а волновое - о плотности и скорости звука в каждой точке среды. Поэтому для возможности проведения анализа, используя эти два метода, необходимо применение блока синхронизации или согласования. Блок обработки изображений служит для проведения Фурье-преобразования и получения из спектра объекта непосредственно изображения самого объекта. Блок анализа - служит для проведения анализа полученных данных непосредственно в процессе выполнения томографического исследования. Если диагностическая процедура проводится повторно, блок анализа обеспечивает также сравнение с предыдущими сохраненными данными, что дает возможность сделать вывод о динамике и произошедших изменениях. Также данный блок может выполнять функции предварительной экспертной системы при обнаружении каких-либо явных признаков той или иной патологии. Блок вывода на дисплей предназначен для воспроизведения на экране как только что полученного изображения, так и сохраненного, полученного в процессе прошлых исследований. Можно выводить на экран оба изображения одновременно для возможности проведения визуального сравнения.

Пример осуществления способа.

В качестве примера использован модифицированный фантом Шеппа-Логана /6/ размером 256×256 пикселей. Исходный фантом Ф будем считать эталоном, и качество реконструкции будем оценивать в процессе сравнительного анализа. Спектр фантома Ф интерполируем с декартовой системы координат, в которой он представлен, на круговую, моделируя тем самым процесс формирования изображения в волновом томографе с использованием круговой схемы съема данных - Фиг.5, где компоненты пространственного спектра оказываются расположенными не в узлах эквидистантной сетки, а на полуокружностях - Фиг.3. Далее подобно рентгеновскому томографу данные спектра фантома Ф интерполируются в узлы рентгеновской сетки - Фиг.2. Таким образом, мы получаем набор данных спектра фантома Ф, аналогичный данным, получаемым при проведении томографического и волнового исследований. После этого обе сетки данных совмещаются, полученные в результате исследований данные объединяются в единую сетку. Для возможности дальнейшей работы с полученными данными необходимо провести интерполяцию данных полученного спектра в узлы эквидистантной прямоугольной сетки. Совмещение двух систем координат возможно многими способами, однако интерполяция наиболее точно сохраняет структуру данных при переходе между системами координат, но влечет за собой увеличение аппаратных вычислительных затрат. Для сравнения проведем также интерполяцию с круговой системы данных (волновое сканирование) и с лучевой (рентгеновское исследование). Полученные три спектра исходного фантома Ф использованы для формирования итогового изображения фантома. Полученные фантомы: Ф1 - в результате акустического исследования, соответствующая СК представлена на Фиг.2, Ф2 - в результате рентгеновского исследования, соответствующая СК представлена на Фиг.3 и Ф3 - совмещением двух исследований, соответствующая СК представлена на Фиг.4 - имеют различное качество восстановления. Это связано с заполненностью пространственного спектра в том или ином методе, что хорошо просматривается на соответствующих чертежах (Фиг.2 - 4). Как и ожидалось, наибольшее разрешение достигнуто в процессе совмещения двух методов исследования в соответствии с предложенным мультивизуальным методом. Как было отмечено выше, небольшие изменения исходного фантома отражаются главным образом на результатах волнового исследования, т.е. при совмещении можно использовать данные рентгеновского исследования, полученные ранее.

Способ позволяет повысить качество реконструкции изображений без усложнения диагностирующей аппаратуры, за счет совместного использования двух методов томографических исследований и эффективной процедуры обработки разных по своей физической природе изображений. Кроме того, позволяет улучшить качество реконструкции за счет применения круговой схемы съема данных.

Источники

1. Патент РФ №2172137.

2. Патент РФ №2254056.

3. Рычагов М.Н. Ультразвуковая медицинская визуализация: В-сканирование и цифровая реконструкция: Уч. Пособие. - М.: МИЭТ, 2001. - 140 с.: ил.

4. Шотемор Ш.Ш. Путеводитель по диагностическим изображениям. Справочник практического врача. - М.: Советский спорт, 2001. - 400 с.: ил.

5. Патент РФ №2171630 - прототип.

6. Kak А.С., Slaney М. Principles of computerized tomographic imaging - N.Y.: IEEE Press. 1988. - 329 p.

Способ формирования томографических изображений, включающий проведение сканирований исследуемой неоднородности двумя томографическими методами на одном и том же наборе срезов, получение спектров каждого среза обоими методами и итогового изображения неоднородности, отличающийся тем, что проводят рентгеновское и акустическое сканирование, рентгеновское сканирование проводят один раз и полученные при этом пространственные спектры изображений набора срезов сохраняют, при проведении повторной диагностики проводят только акустическое сканирование, объединение спектров каждого среза осуществляют одновременным формированием рентгеновского и акустического сканирований или использованием маркера на первом срезе, при этом при акустическом сканировании фиксируют по окружности вокруг исследуемой неоднородности компоненты рассеянного поля излучения.