Аппаратно-компьютерные медицинские системы

Аппаратно-компьютерные медицинские системы по своему назначению подразделяются на 5 основных групп:

· для получения медицинских изображений органов человека,

· для получения параметрических данных,

· получения функциональных данных,

· для выполнения мониторинга,

· терапевтического направления.

Системы для получения медицинских диагностических изображений представляют собой сложные технические устройства, в которых установлены мощные компьютеры. Они работают, как правило, под управлением сложных операционных систем, таких, например, как Unix, Windows NT, Linux, и имеют развитое прикладное программное обеспечение. Для получения медицинских диагностических изображений используются аппаратно-компьютерные комплексы двух типов. В первом из них первоначальное изображение получается в аналоговом виде, затем оно оцифровывается в АЦП и далее существует в матричном виде.

Так устроены рентгенодиагностические аппараты с цифровым терминалом, ультразвуковые аппаратно-компьютерные комплексы

(рис. 4.15). На рис. 4.16. определяется ультразвуковое доплеровское изображение сосудистой системы почки.

.

Рис.4.15. Ультразвуковой сканер Рис.4. 16. Визуализация сосудов почки

 

По такому же принципу устроена гамма-камера (рис.4.17), предназначенная для радионуклидной визуализации органов человека. Радиофармпрепарат, введенный в кровеносное русло человека, накапливается в отдельных его органах, что фиксируется датчиками гамма- камеры. После передачи зарегистрированных импульсов в компьютер в его

оперативной системе создается

цифровое изображение органа, которое передается на экран монитора (рис.4.18).

 

Рис.4.17.Гамма-камера

Рис.4.17. Радионуклидное изображение скелета,

полученное на гамма- камере – сцинтиграфия области коленных суставов

Важным средством современной компьютерной медицинской диагностики стал компьютерный томограф - КТ (рис.4.18.). Он позволяет получать послойные снимки внутренних органов человека (компьютерные томограммы) (рис.4.19). Толщина среза, видимого как отдельное изображение, составляет всего 2–3 мм, расстояние между срезами – 4-5 мм. Современные томографы способны выполнить за 2 с до 64 срезов одновременно. Значительным достижением последних лет явилась возможность получать на КТ объемные изображения (3D-графика) (рис.4.20), а также

Рис.4.18. Компьютерный томограф на основе трехмерной графики

 

Рис.4.19. Компьютерная Рис. 4.20. Серия объемных

томограмма головного мозга. изображений внутренних

Определяется опухоль мозга органов человека

 

получать виртуальную эндоскопию (рис.4.21)– изображение внутреннего органа. Виртуальная эндоскопия, выполненная на компьютерном томографе

последних поколений, позволила у многих больных заменить классическую эндоскопию и тем самым избавить их от неприятных инвазивных вмешательств.

Большой прогресс в развитии аппаратно-компьютерных систем произошел с открытием магнитно-резонансной томографии – МРТ.

Рис.4.21. ВиртуальнаяЕе принцип основан на исследовании

бронхоскопия. магнитного резонанса ядер протонов человека,

Видны увеличенные помещенного в сильное магнитное поле

лимфатические узлы – до 1,5 Тл.

(метастазы) Получаемое при МРТ изображение

(рис.4. 22) имеет вид тонкого (2–5 мм) слоя, на котором хорошо видны мягкие ткани.

 

Рис. 4.22. Магнитно-резонансные томограммы головного мозга:

а – боковая проекция, б – аксиальная

 

Значительным шагом вперед, продвинувшим изобразительные методы аппаратно-компьютерных систем, стала методика так называемых «спаянных изображений» (fusion imaging). При этом на одном снимке или на экране монитора получается изображение внутренних органов, полученных разными методами исследования – МРТ, КТ и контрастным исследованием сосудов. В дальнейшем, используя специальные алгоритмы прикладных программ, на рабочей станции удается слить все полученные изображения воедино и получить интегральный образ органа (рис.4.23).

 

 

 

Рис.4.23.«Спаянное изображение», полученное в результате слияния КТ, МРТ и ангиографии. Хорошо видна аневризма сосудов головного мозга и ее соотношение с другими мозговыми структурами

 

Существует метод альтернативного подхода к манипуляциям с медицинскими изображениями – их вычитание (субтракция). При этом одну и ту же область исследуют различными методами, а затем из одного изображения вычитают другое – производят вычитание. В качестве примера можно привести дигитальную субтракционную ангиографию (ДСА): вначале выполняют обзорный рентгеновский снимок исследуемой области, а затем сразу же проводят рентгеноконтрастное исследование сосудов – ангиографию. Затем из второго снимка вычитают первый (рис.4.24).

Рис.4.24. Дигитальная субтракционная ангиография

 

Медицинские аппаратно-компьютерные системы для получения параметрических данных позволяют с помощью компьютерных программ прижизненно определять минеральный, химический или биохимический состав органов человека. Одним из таких методов стала двухфотонная компьютерная рентгеновская остеоденситометрия.

Суть метода сводится к следующему. Больному выполняют рентгенографию скелета, например, позвоночника или шейки бедренной кости, поскольку именно в этих местах наиболее часто развивается довольно опасное заболевание – деминерализация костной ткани, или остеопороз, весьма чреватый возникновением переломома. При этом выполняется две серии рентгеновских снимков при различной жесткости рентгеновских лучей. Далее компьютер по специальному алгоритму вычисляет минерализацию скелета (рис.4.25), определяет и сигнализирует врачу о том, в какой зоне риска перелома находится пациент – низкой, средней или высокой.

Рис.4.25. Рентгеновские остеоденситограммы позвоночника (а)

и шейки бедра (б) (пояснения в тексте).

 

В правой верхней зоне каждого рисунка имеется прямоугольник, состоящий из трех цветных полос: нижней (низкая степень риска перелома), средней (средняя степень риска перелома) и верхней (высокая степень риска перелома). Эти прямоугольники представляют собой референтную базу, полученную при исследовании большого числа людей. На обоих рисунках видна мелкая точка, находящаяся в красной зоне, что указывает на высокую степень риска перелома. В нижней части рисунка имеется цифровое выражение содержания солей кальция в скелете.

Системы получения функциональных данных. Имеют в своем составе датчики функции органов. Сигналы с этих датчиков оцифровываются в АЦП и затем передаются в компьютер. Задача компьютера – отсечь в автоматическом режиме шумы и сигналы, выходящие за рамки доверительного интервала, выделить репрезентативную (достоверную) группу полезных данных и затем провести их анализ. Итогом анализа может служить распечатка в виде цифр или заключения, которые быть переданы по каналам связи для консультации или дальнейшего изучения (рис.4.26).

Рис.4.26. ЭКГ, обработанная на компьютере. Зафиксированные нарушения с ердечного ритма отражены в таблице, находящейся в верхней части рисунка

Рис.4.27. Функциональная схема медицинского аппаратно-компьютерного

комплекса для получения функциональных данных

 

Функциональная схема медицинского аппаратно-компьютерного комплекса для регистрации нескольких параметров приведена на рис. 4.27

Существует еще один вид медицинских аппаратно-компьютерных систем, определяющих функциональное состояние изучаемых органов. В этих системах компьютер выполняет задачу анализатора серии изображений, каждое из которых показывает функциональную активность органа. В итоге получаются результирующие кривые, отражающие характер функции этого органа (рис.4.28).

Рис.4.28.Радионуклидное исследование почек. Изображены две почки различных размеров в результате поражения одной из них. Кривая меньшей почки более пологая, так как функция ее нарушена

 

Медицинские аппаратно-компьютерные схемы мониторинга. Включают в себя различные классы устройств, предназначенных для отслеживания на значительном промежутке времени функционального состояния различных органов и систем. Весьма часто эти системы используются в реанимации, в кардиологических и хирургических отделениях, в операционных блоках. Примером такого мониторинга может служить холтеровская система датчиков. К поверхности тела больного прикрепляется датчик (обычно регистрирующий пульс и артериальное давление) на достаточно продолжительно время (обычно на одни сутки). Датчик содержит твердотельное запоминающее устройство – флэш-карту, на которой сохраняются все зарегистрированные сигналы. Спустя сутки данные с флэш-карты считываются компьютером, который имеет специальное программное устройство для анализа данных. По нему судят о суточном ритме функционирования системы кровообращения – ЭКГ и артериальном давлении (рис.4 29).

Рис. 4. 29. Суточные колебания артериального давления, выявленные

в процесс холтеровского суточного мониторинга

 

Получаемые ЭКГ-данные первично фильтруются компьютером, который отделяет и выбраковывает помехи и шумовые сигналы, выделяет репрезентативные (достоверные) группы сигналов (рис.30) и затем формирует заключительные данные в виде таблиц (рис.4.31).

Рис. 4.30 Распечатка данных ЭКГ суточного холтеровского мониторинга

 

Рис. 4.31. Заключительная таблица ЭКГ холетровского суточного мониторинга. Выявлены одиночные экстрасистолы

 

Медицинские аппаратно-компьютерные комплексы интенсивной терапии. Предназначены для компьютерного контроля и управления физиотерапевтическими процедурами, для программного вливания лекарственных препаратов и для управления перфузионными насосами, а также для оптимизации функционирования аппаратуры в процессе проведения ингаляционного наркоза и искусственной вентиляции легких. Большое значение в этом отношении имеют аппараты искусственного гемодиализа. Общий принцип работы комплексов указанного направления состоит в реализации обратной связи с регистрирующих датчиков, компьютерной обработке полученных результатов и последующим компьютерным управлением механизмом терапевтического вмешательства.

Контрольные термины и понятия для

самостоятельной проверки знаний

· Понятия о вычислительной системе.

· Вычислительные системы общего назначения.

· Медицинские аппаратно-компьютерные комплексы.

Аппаратные средства вычислительной системы:

· Аппаратная конфигурация компьютера.

· Процессор и его характеристика.

· Оперативная и кэш-память.

· Долговременная внутренняя память.

· Дисководы.

· Устройства ввода информации.

· Мониторы.

· «Медицинские мониторы».

· Устройства вывода.

· Принтеры.

· Сканеры.

· Введение и распознавание документов.

Классификация компьютеров:

· Суперкомпьютер.

· Кластер.

· Сервер.

· Персональный компьютер.

· Структура ПК.

· Настольные, портативные и карманные ПК.

· Классификация ПК.

· Рабочие станции.

· Развлекательный компьютер.

· Гаджет.

Программное обеспечение компьютера:

· Уровни программного обеспечения.

· Базовый уровень.

· Системный уровень.

· Служебный уровень.

· Прикладной уровень.

· Интерфейсы.

· Виды пользовательских интерфейсов.

· Браузеры.

· Общие и специальные программы.

· Текстовый редактор (процессор).

· Табличный редактор.

· Графический редактор.

· Редактор презентаций.

· Редактор HTML.

Аппаратно-компьютерные медицинские системы:

· Основные группы аппаратно-компьютерных систем.

· Ультразвуковые аппаратные комплексы.

· Гамма-камера.

· Компьютерный томограф.

· Виртуальная эндоскопия.

· «Спаянные изображения».

· Магнитно-резонансная томография.

· Аппаратно-компьютерные комплексы для получения параметрических изображений.

· Рентгеновская остеоденситометря.

· Системы получения функциональных данных.

· Медицинские аппаратно-компьютерные схемы мониторинга.

· Холтеровский суточный мониторинг.

· Медицинские аппаратно-компьютерные комплексы интенсивной терапии.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое «вычислительная система»?

2. Что такое «аппаратно-вычислительный комплекс»?

3. Каково назначение компьютера в аппаратно-компьютерном комплексе?

4. Каково назначение сканера в работе врача?

5. Какие требования к мониторам применимы в медицинской практике?

6. Как осуществляются введение и распознавание медицинских документов?

7. Какие виды магнитной памяти имеет компьютер, их назначение?

8. Какова структура персонального компьютера?

9. Какие задачи решает персональный компьютер в работе врача?

10. Что такое «сервер», каково его назначение?

11. Какие виды персональных компьютеров используются в медицинской практике?

12. Что такое «рабочая станция», каково ее назначение?

13. Уровни программного обеспечения компьютера?

14. Какие пользовательские интерфейсы используются в медицинской практике?

15. Какие аппаратно-компьютерные комплексы применяяются в медицине?

16. Что такое «холтеровский мониторинг»?

 

Тестовые задания

 

Первый уровень

1. Оперативная память предназначена для хранения информации:

а – постоянной;

б – временной;

в – внешней;

г – переносимой.

2. Персональный компьютер предназначен для:

а – подготовки документов;

б – для работы у постели больного;

в – для рисования изображений;

г – для выполнения глобальных вычислений.

3. Пользовательский интерфейс – это связь между:

а – компьютерами;

б – аппаратными частями компьютера;

в – пользователем и компьютером;

г –пользователями;

4. Компьютерная томография – это метод для исследования:

а – функции;

б – морфологии;

в – гистологии;

г – эмбриологии;

5. Компьютерные программы базового уровня предназначены для:

а – управления компьютером;

б – установления контактов с пользователями;

в – установления контактов между компьютерами;

г – обнаружения ошибок в работе компьютера;

 

Второй уровень

1. Пользовательские программы – это …

2. Операционные системы – это …

3. Интерфейсы – это …

4. Суперкомпьютер – это …

5. Персональный компьютер – это …

6. Аппаратно-компьютерный комплекс – это …

7. Устройства ввода информации – это …

8. Устройства вывода информации …

9. Принтеры – это …

10. Сканеры – это …

11. «Спаянные изображения» - это…

 

Третий уровень

1. Опишите устройство персонального компьютера.

2. Охарактеризуйте программное обеспечение компьютера.

3. Какие функции выполняет персональный компьютер в работе врача?

4. Какие пользовательские программы наиболее часто применяются в медицине?

5. Что такое «виртуальная эндоскопия» и где ее использование имеет значение?

6. Какие магнитные носители информации предпочтительно применять в медицине?

7. Виды переносных компьютеров и сфера их применения в медицине.

8. Как осуществить распознавание факсимильного медицинского документа?

Глава 5