Формування медичних зображень: від фізіології до інформаційної обробки

Процес формування медичного зображення від фізіології до інтерпретації зображення та інформаційної обробки, можна поділити на п’ять етапів. Це дозволяє отримувати та аналізувати корисну інформацію щодо реакції органу або протікання фізіологічного процесу.

1. Аналіз об’єкта зображення. Об’єкти (органи, тканини або певні патології) та їх фізіологічні властивості, які впливають на сигнали, що приймають участь у формуванні зображення, повинні розглядатися з точки зору відбору інструментів формування зображення які б забезпечували найкращу методику обробки і аналізу зображення та його вірну інтерпретацію. Інформація про предмет зображення може стосуватися як статичних (наприклад, щільність тканин), так і динамічних фізіологічних властивостей (кровотеча, перфузія, кінетика міокарду) біологічної тканини. Належне вивчення динаміки поведінки предмету зображення є необхідним для розробки компенсаційних методів, потрібних для правильної реконструкції та аналізу зображення. Пов’язані з рухом артефакти накладають значні обмеження на час збирання інформації та вибір інструментів формування медичного зображення, і таким чином, здійснюють безпосередній вплив на розвиток методів обробки зображень.

2. Фізика процесу візуалізації. Наступним важливим фактором є метод візуалізації, який слід використати для отримання даних. Наприклад, при рентгенографічному дослідженні зображення формується, в основному, шляхом просвічування тіла рентгенівськими променями. У радіонуклідній медицині, при однофотонній емісійній комп’ютерній томографії (гамма-томографія) застосовується гамма випромінювання, яке виникає внаслідок взаємодії радіоактивної речовини з досліджуваною тканиною. Процес випромінювання та енергетичний діапазон гамма-променів накладають обмеження на оптичне розділення та час отримання даних для візуалізації. Супутні методи формування зображення при просвічування та опромінюванні є настільки різними, що важко визначити той самий рівень анатомічної інформації при дослідження обома способами.

3. Приладдя для візуалізації. Приладдя, використовуване для збору інформації, є одним з найважливіших факторів, які визначають якість зображення в плані співвідношення «сигнал/шум», оптичного розділення та здатності надавати діагностичну інформацію. Вихідні технічні характеристики приладдя безпосередньо впливають на можливості формування зображення. Крім того, характеристики детектора, такі як не лінійність, низький коефіцієнт корисної дії, значна тривалість затухання та слабке подавлення розсіювання можуть спричинити спотворення зображення. Для правильної діагностичної інтерпретації необхідно використовувати таку техніку формування та обробки зображення, яка забезпечує точне і чітке виявлення потрібних характеристик без будь-яких перешкод.

4. Методи отримання даних, що необхідні для формування зображення. Методи отримання даних, що використовуються для візуалізації, відіграють важливу роль у формуванні зображення. За умови оптимізації з вимірювальним приладдям, способи збору інформації виступають вирішальним фактором у визначенні оптимального часового та просторового оптичного розподілення. При розробці методики вирішальне значення має також обмеження перешкод у зображенні шляхом активного фільтрування або за допомогою наступної обробки. Наприклад, при рентгенівській комп’ютерній томографії у просторовий розподіл сигналу базується на кількості рентгенівських фотонів, які досягають детектора за певний проміжок часу. Дані для тривимірного зображення можуть бути отримані за допомогою методу паралельно-променевого, конічно-променевого або спірально-променевого сканування. Кожен з цих методів сканування накладає певні обмеження на геометричне відтворення об’єкта візуалізації. Оскільки тривалість сканування при використання кожного з методів може бути різною, то просторове оптичне розділення має бути узгоджено з часовим оптичним розділенням. Це означає, що результатом більш швидкого сканування може бути зображення з меншим просторовим оптичним розділенням. З іншого боку, краще просторове оптичне розділення зазвичай потребуватиме більше часу на формування зображення. При вивченні динаміки, коли необхідно отримати інформацію про кровотеча або певну функціональну діяльність, перевага надається вимогам кращого оптичного розділення. Для об’єднання специфічної інформації про методи збору даних та геометрію сканування використовуються способи реконструкції зображення, такі як проектування на світлопропускаючий екран, ітеративний метод та Фур’є перетворення. Оскільки на якість зображення можуть впливати методи збору даних, з метою оптимізації представлення в зображенні діагностичної інформації повинні розроблятись відповідні методи реконструкції та обробки зображень.

5. Обробка та аналіз зображення. Методи обробки та аналізу зображення спрямовані на збільшення діагностичної інформації, необхідної для покращення ручної або комп’ютеризованої інтерпретації медичних зображень. Часто деякі методи перетворення покращують видимість та полегшують кількісний аналіз об’єктів зображення. Інтерактивні та комп’ютеризовані методи аналізу медичних зображень можуть забезпечити ефективні інструменти для кількісної та якісної інтерпретації медичних зображень з метою постановки диференційних діагнозів, спостереження під час хірургічного впливу та лікування. Ефективні інструменти обробки та аналізу зображень можуть також допомогти у розумінні фізіологічних процесів, пов’язаних із хворобою та перебігом процесу лікування.