Обработка сигналов биологической активности (биосигналов).

Специфические особенности, присущие каждому этапу реализации, определяют комплекс требований и ограничений на возможную реализацию остальных.

Съем сигнала осуществляется посредством электродов.

Биологическим электродомназывается устройство, используемое при съеме биоэлектрических потенциалов, имеющие токосъёмную поверхность и выходные элементы.

Токосъемная поверхность –часть поверхности электрода, непосредственно или через контактное вещество контактирующая с биообъектом и обеспечивающая съем биопотенциалов.

В зависимости от участия в съеме биопотенциалов, различают следующие виды электродов:

- Потенциальный электрод – отводящий электрод, контактирующий с участком биообъекта, находящимся в электрическом поле исследуемого объекта.

- Нулевой электрод – отводящий электрод, контактирующий с участком биообъекта, в котором электрический потенциал стремится к нулю.

- Нейтральный электрод – электрод, не участвующий в съеме биоэлектрических потенциалов, подключенный к нейтральной клемме измерительного прибора.

При съеме и регистрации биосигналов проявляют себя различные помехи. Наибольшую погрешность в измерения вносят т.н. аддитивные помехи. Среди них выделяют следующие виды:

- Артефакты или случайные помехи. Их причинами может быть биоэлектрическая активность органов, не имеющая непосредственного отношения к работе исследуемых органов и тканей

- Разностные и синфазные помехи – образуются, в первую очередь, как наводки промышленной частоты 50 Гц от сети переменного тока и всегда имеются в помещениях, где производится регистрация.

- Мультипликативные помехи – изменяют параметры контура передачи сигнала, что приводит к случайной модуляции величины полезного сигнала. Связаны в основном с изменениями сопротивления «кожа-электрод», вызванными высыханием токопроводящих или физиологического раствора. Мультипликативные помехи носят инфранизкий характер и проявляются при длительных исследованиях.

Методы электрофизиологических исследований.В зависимости от вида органов, биоэлектрическая активность которых изучается, различают следующие основные методы электрофизиологических исследований:

· Электрокардиография – исследование электрической активности сердца;

· Электроэнцефалография – исследование электрической активности головного мозга;

· Электромиография – исследование электрической активности мышц;

· Электроокулография – исследование изменения потенциалов, обусловленных движением глазного яблока.

Приведенный перечень может быть существенно расширен, в том числе в направлении изучения групп и даже отдельных клеток живых тканей.

При измерении электрических параметров биообъектов их соединяют с измерительной схемой с помощью биоэлектрических электродов. При этом можно выделить:

· отведение, т.е. зону контакта биообъекта с электродом,

· электродное контактное вещество (паста, физ. раствор),

· электрод,

· отводящие провода.

Все используемые отведения можно разделить на:

· униполярные,

· биполярные

· многоэлектродные.

- Униполярное отведение позволяет регистрировать биоэлектрическую активность в точке наложения электрода.

- Биполярное отведение – оба электрода являются измерительными, и разность потенциалов регистрируется между двумя точками поверхности тела.

- Многоэлектродное отведение – в требуемых точках биообъекта накладываются две группы электродов, электроды каждой группы соединяются через суммирующие цепи и образуют две ветви отведения.

В настоящее время приоритетным направлением развития методологии электрофизических исследований является разработка методов автоматического анализа, оптимальных для решения каждой конкретной задачи. Достоверность выделения информативных признаков должна быть ограничена только принципиально неустранимой неопределенностью данных вследствие наличия комплекса помех. Необходимой теоретической основой для решения подобного рода задач является аппарат статистической теории.

Медицинские телеметрические системы могут сочетать в себе и другие функции, например контроль состояния технологического оборудования и состояние здоровья операторов. Разработка приборов и систем автоматического анализа биосигналов связана с созданием высокотехнологичного программного обеспечения, реализующего современные методы обработки сигналов, распознавания образов и искусственного интеллекта.

Понятие медицинского изображения.Одним из направлений применения компьютера в медицине является работа с графической информацией. Это направление изучается в специальном разделе медицинской информатики - анализе медицинских изображений.

Медицинское изображение предоставляет визуальную информацию о внутренних структурах и функциях человеческого тела. Оно может быть получено радиологическими или нерадиологическими методами.

Назначение радиологических методов – сделать доступным для визуального восприятия информацию, которая не воспринимается непосредственно зрением. Такую информацию получают с помощью излучения. Это излучение имеет, как правило, электромагнитную природу. Медицинские изображения органов, полученные средствами радиологической диагностики, являются главным источником информации в области здравоохранения.

Нерадиологическими методами получают изображения, отснятые видеокамерой (эндоскопия) или сфотографированные (микроскопические изображения в гистологии, патологии, дерматологические изображения и т.д.). Эти типы изображений также могут быть переведены в цифровую форму и со временем обработаны.

В дальнейшем будем рассматривать преимущественно медицинские изображения, полученные радиологическими методами. Именно поэтому под понятием «медицинское изображение» будем понимать доступную зрительному восприятию картину пространственного распределения любого вида излучения, трансформированного в видимую часть оптического диапазона.

Медицинское изображение как объект медицинской информатики.

Все медицинские изображения, независимо от способов их получения, принадлежат к одной из двух групп: аналоговые и цифровые изображения.

К аналоговым изображениям относятся те, которые несут в себе информацию беспрерывного характера. Например, изображения на рентгенограмме.

К цифровым относят изображения, полученные с помощью компьютера. Они имеют в своей основе матрицу, которая содержится в памяти ПК. Таким образом, цифровые изображения, в отличие от аналоговых, имеют дискретный характер. Поскольку в основе цифровых изображений лежит компьютерная технология, они становятся доступными для разнообразной обработки на ЭВМ.

Необходимо отметить, что аналоговые изображения могут быть преобразованы в цифровые и, наоборот. С этой целью применяют специальные устройства: аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

Цифровое изображение формируется путем сканирования электронным лучом. Память дисплейного процессора организована в виде матрицы, каждому из элементов которой отвечает свой определенный участок дисплея. Подобная элементарная единица цифрового изображения, которой отвечает занумерованный участок памяти, получила название «пиксель». Таким образом, плоскость экрана представляет собой матрицу - совокупность пикселей. В лучевой диагностике площадь дисплея может формироваться в виде матриц 32х32, 64х64, 128х128, 256х256, 512х512, 1024х1024, 1024х1280 пикселей и выше. Чем на больше число пикселей разбита площадь дисплея, тем выше разрешающая способность системы отображения.

Все медицинские изображения в лучевой диагностике могут существовать в виде твердых копий - рентгенограмм, отражений на бумаге, фотобумаге; или на магнитных носителях - лентах, дисках; или в нефиксированном виде - на экране дисплея или рентгенодиагностического аппарата.

Объекты медицинского изображения можно разделить на твердые фрагменты (например, кости) и фрагменты, которые могут быть деформированы (например, структуры мягкой ткани); или на статические фрагменты (например, череп) и динамические (например, сердце).

Методы получения медицинских изображений.Для получения одно или двумерных медицинских изображений можно использовать:

· электромагнитное излучение:

· ультразвук.

Методами получения двумерных медицинских изображений являются:

· цифровая радиология;

· компьютерная томография;

· ядерный магнитный резонанс;

· 2D-ультразвук.

Методами и источниками трехмерных изображений являются:

· последовательность радиологических изображений или томографическое изображение динамического объекта;

· объемное томографическое изображение части статического объекта.

Коротко опишем указанные методики.

Рентгенология(обычная радиология) использует ионизирующее излучение из источника рентгеновских лучей. Это самый распространенный метод в отделениях радиологии. Изображение получается на рентгенографической пленке, чувствительной к рентгеновским лучам, и может быть впоследствии из этих пленок переведено в цифровую форму. Но можно получить цифровое изображение, минуя стадию рентгенографической пленки - в новых аппаратах, которые вместо пленок используют специальные матрицы.

Цифровая ангиографияпоказывает сосуд, убирая из изображений нежелательные структуры (кости и внутренние органы). Исследования проводят в два этапа. Сначала получают изображение перед инъекцией контрастного вещества и переводят их в цифровую форму. Потом они используются для создания маски, которая будет удалена из изображений, полученных после инъекции.

Компьютерная томографии(КТ) также использует рентгеновские лучи, но вместо одного плоского изображения КГ-изображение восстанавливается компьютером из нескольких изображений, полученных в разных направлениях.

При ядерно-магнитном резонансе(ЯМР) компьютер восстанавливает изображение от полученных радиосигналов, интенсивность и продолжительность которых зависит от биологических характеристик ткани. Не используя ионизирующую радиацию, ЯМР предоставляет изображение, вид которого зависит от обмена веществ и характеристик тканей. Ультразвуковое исследование(УЗИ) базируется на акустическом исследовании. Зонд испускает ультразвуковые волны и получает отражение, которое с помощью пьезоэлектрических кристаллов превращается в электрические сигналы. Сигналы, которые получены от нескольких параллельных каналов, переводятся в цифровую форму и обрабатываются, в результате чего получается изображение.

Во время сцинтиграфиив организм вводится радиоактивная метка, обладающая тропизмом к определенному виду ткани. Испускаемое излучение фиксируется с помощью чувствительной к радиации камеры. Это изображения, захваченные видеокамерой (эндоскопия) или сфотографированные (микроскопические изображения в гистологии, патологии, дерматологические изображения и т. д.).

Все радиологические методики получения изображения могут быть представлены в виде следующей схемы (рис. 8.1).

Первый блок в этой схеме – источник излучения. Источник излучения может находиться вне пациента (например, при рентгенологическом и ультразвуковом исследовании) или может быть введенным в организм (например, при радионуклидных исследованиях).

Следующий блок – детектор излучения. Он непосредственно взаимодействует с объектом (пациентом). Его назначение – уловить электромагнитное излучение или упругие колебания и превратить их в диагностическую информацию. В зависимости от вида излучения детектором могут быть флуоресцентный экран, фото- или рентгеновская пленка, и др.

Рис. 8.1. Система образования изображения в радиологических методах диагностики

В некоторых системах информационные сигналы из детектора поступают в блок преобразования. Назначение этого блока - повысить информационную емкость сигнала, забрать препятствия («шум»), превратить его в удобный для дальнейшей передачи вид.

Потом преобразованные сигналы передаются в синтезатор изображения. Его назначение – создать изображение исследуемого объекта - органа, части тела, всего человека. Понятно, при использовании разных методик изображение будет разным.

Лучевые исследования планирует и выполняет врач-диагност. Это врач, получивший специальную подготовку в некоторой области лучевой диагностики. Его деятельность состоит из приема визуальной информации, ее обработки, интерпретации результатов и принятия диагностического решения.

Обработка медицинских изображений.В наше время на смену аналоговым приходят цифровые медицинские изображения. Переведение в цифровую форму облегчает обработку изображений, хранение и передачу медицинских визуальных данных.

Информационные технологии могут помочь на всех этапах получения и обработки медицинских изображений. Компьютеры непосредственно принимают участие в создании некоторых типов изображений, которые не могут быть получены другим способом: компьютерная томография, позитронная эмиссионная томография, ядерный магнитный резонанс.

Цифровая обработка изображения может использоваться с целью:

· улучшения качества изображения, компенсации дефектов регистрирующей системы и уменьшение шума;

· расчета клинически важных количественных параметров (расстояния, площади, объема, и т.д.);

· облегчение интерпретации (распознавание структуры, вычисление дозы для лучевой терапии).

Сжатие изображений уменьшает объем памяти для хранения данных и время для их передачи.

Хранение цифровых изображений на твердых электронных носителях упрощают организацию архивов и доступ к ним.

Передача изображений в цифровой форме между лечебными учреждениями позволяет нескольким экспертам быстро консультироваться для принятия диагностических или терапевтических решений, и улучшает контроль над лечением пациента.

Основные принципы обработки изображений.Обработка и анализ изображений состоит из следующих этапов.

1. Предварительная обработка.Фаза предварительной обработки отстраняет отклонения, связанные с системой генерации изображения, и уменьшает шумы. Цифровые данные обрабатываются с помощью специальных программ и таким образом улучшают видимость некоторых анатомических структур.

2. Изменение контрастности изображения.Расчет гистограммы изображения создает представление количества пикселей для каждого уровня серого цвета в изображении.

3. Сегментация.Эта фаза обработки изображения изолирует отдельные элементы изображения (органы, клетки и т.д.).

4. Расчет параметров.Расчет линейных и объемных параметров анатомических образований.

5. Интерпретация изображений.Автоматическая компьютерная интерпретация пока еще остается проблемой. Для ее качественного выполнения нужна база знаний из сравнительной и патологической анатомии. Полученные структуры и параметры должны быть сопоставимы с известными структурами и классифицированы.

Современные тенденции в обработке медицинских изображений включают двумерную и трехмерную обработку с помощью компьютера. Сегодня актуальным вопросом визуализации является создания баз данных медицинских изображений. Одна из таких баз – "visible human project" (http://www.nlm.nih.gov/research/visible/visible_human.html). Цель этого проекта - обеспечить наборы данных для использования при изучении анатомии, проведении исследований, для использования в образовательных и диагностических проектах.

Конструкция цифровых анатомических атласов и других наборов визуальных справочных данных требует усовершенствования лучевых методик исследования.

Обработка двумерных медицинских изображений.Рассмотрим в общих чертах наиболее типичные примеры использования вычислительных систем: компьютерную томографию, ультразвуковую диагностику и компьютерную фиброскопию.

Томографический метод находит все более широкое применение в медицинской практике в связи с тем, что в последние десятилетия появляются все новые и новые методы регистрации состояния внутренних тканей организма. Вероятно, что методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР-томография), электрического парамагнитного резонанса (ЭПP-спектроскопия) постепенно будут все более вытеснять метод томографии, основанный на регистрации степени поглощения тканями рентгеновских лучей.

Принцип томографии (рис. 8.2) основан на послойной регистрации большого числа лучей, посланных излучателем (1) через исследуемый орган (3) в сторону регистратора излучения (2). На рисунке условно разделены две пары излучатель-регистратор, расположенные в горизонтальной (А) и вертикальной (В) плоскостях.

Рuc. 8.2. Иллюстрация принципа съема сигнала при компьютерной томографии

При прохождении через ткань исследуемого органа лучи неравномерно поглощаются во всех его участках. Предположим, что внутри органа (3) имеется патологический очаг (4). Тогда профили интенсивности лучей, прошедших через орган, будут иметь вид, представленный на схеме справа. Низкая интенсивность соответствует расположению патологического очага. Наличие двух профилей позволяет точно указать расположение очага в структуре органа.

Этап обработки и графического синтеза осуществляется с помощью вычислительных систем, так как в этом случае обрабатываются огромные массивы цифровой информации.

Рис. 8.3. Преобразование сигналов при ультразвуковой диагностике (УЗИ)

Принцип работы установок для ультразвуковой диагностики (рис. 8.3) во многом аналогичен описанному выше, с той разницей, что речь идет, во-первых, о механических колебаниях ультразвукового диапазона, а во-вторых, этот сигнал не проходит через орган, а отражается от него.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятию «телеметрия»

2. Для чего используется телеметрия?

3. Какими этапами представляется электрофизиологическое исследование?

4. Дайте определение следующим понятиям: биологический электрод; токосъемная поверхность; потенциальный электрод; нулевой электрод; нейтральный электрод; артефакты; разностные и синфазные помехи; мультипликативные помехи; методы электрофизиологических исследований

5. Что такое медицинское изображение?

6. Какими методами может быть получено медицинское изображение?

7. Что относят к аналоговым изображениям?

8. Что относят к цифровым изображениям?

9. Перечислите методы получения двумерных медицинских изображений

10. Перечислите методы получения трехмерных изображений

11. Какие методы получения одномерных изображений вам известны?

12. С какой целью может использоваться цифровая обработка изображения в медицине?

13. Каковы основные принципы обработки изображений?