Разработка методов и средств шумоподавления в томографии

Актуальность темы

В последние годы стремительными темпами развиваются технические устройства, позволяющие проводить исследования внутренней структуры объектов. Зачастую одни и те же изменения можно проводить с помощью устройств, основанные на различных принципах действия, при этом достоверность полученных данных будет сопоставима. В подобных условиях на первое место выходит информационная составляющая исследований.

На данном этапе наиболее информативным методом исследования внутренней структуры объектов является томография, на полноту и достоверность результатов которой влияет целый ряд факторов, зависящих, в первую очередь, от принципов реализации метода [74, 83].

Наиболее широко распространена компьютерная томография (КТ), позволяющая по ряду снимков путём математической обработки реконструировать плотность исследуемого вещества в ряде сечений. Популярность КТ связана с относительно низкими эксплуатационными затратами и короткой продолжительностью исследования. Это наиболее универсальный метод, позволяющий исследовать внутреннюю структуру как биологических, так и промышленных объектов, содержащих элементы из пластика, керамики, стекла и пр. Современные компьютерные томографы позволяют проводить измерения плотности вещества в диапазоне от -1024 до +3071 HU (плотность большинства биологических тканей от -150 до +100 HU). Возможности современных КТ-сканеров определяются не столько аппаратной частью, сколько математическим и программным обеспечением, обеспечивающим реконструкцию изображения.

Качество изображения зависит от многих факторов: системы коллимации (параллельности лучей и толщины среза), алгоритма реконструкции, физических процессов, участвующих в сборе данных и т. д. При этом интенсивность пиксела реконструированного изображения не всегда соответствует истинным значениям коэффициентов ослабления рентгеновских лучей исследуемым объектом. В этом случае на изображениях появляются различные артефакты и искажения изображений. Другим фактором, влияющим на достоверность получаемых данных, является температура окружающей среды, перепады которой приводят к повышению уровня шума на изображения и снижению точности измерений.

Другим существенным ограничением информативности КТ-изображений является получение данных только в поперечной плоскости, хотя современное программное обеспечение позволяет реконструировать изображения в любой другой плоскости, но при этом снижается разрешение изображений и точность проводимых измерений.

Другим широко распространенным методом в силу своей высокой информативности является магнитно-резонансная томография (МРТ), используемая преимущественно для исследований биологических объектов и медицинской диагностики. По сравнению с КТ, МРТ имеет более высокую разрешающую способность и контрастность изображений, даёт более чёткое представление об объёме и неравномерности распространения тканей [19]. Её несомненным преимуществом по сравнению с другими видами томографии является возможность непосредственного получения изображений в любой произвольной плоскости. Наиболее эффективны в эксплуатации высокопольные сверхпроводящие МР-томографы [75], позволяющие получать изображения с высоким пространственным разрешением и проводить функциональные исследования.

Соотношение сигнал/шум магнитно-резонансного (MP) изображения зависит от целого ряда параметров сканирования (последовательности импульсов, матрицы изображения, типа РЧ катушки) и свойств вещества (протонной плотности, процессов релаксации, диффузии). Различные последовательности импульсов позволяют регулировать вклад того или иного параметра в интенсивность регистрируемого сигнала для получения на изображении оптимального контраста между нормальными и измененными тканями [80]. К недостатками МРТ можно отнести высокую продолжительность исследования. Препятствием для проведения МРТ является наличие в отображаемом объекте металла, который вносит существенные искажения в однородность магнитного поля и вызывает появление артефактов изображений. Точность измерений и качество изображений в МРТ зависит от целого ряда факторов, связанных с настройками самого сканера, алгоритмами обработки сигнала или свойствами отображаемого объекта.

Исследования промышленных объектов с помощью МРТ затруднено, т.к. любой отображаемый объект должен содержать протоны водорода и не должен содержать металлических частиц. С другой стороны, МРТ является незаменимым методом неразрушающего контроля качества продуктов питания и проведения спектрального анализа различных веществ и тканей.

Довольно часто при анализе томографических изображений приходится сталкиваться со снимками, характеризующимися повышенным уровнем шума или содержащими помехи или артефакты, которые могут привести к постановке неверного диагноза. Цифровая форма представления таких данных позволяет проводить их дополнительную компьютерную обработку, позволяющую повысить соотношение сигнал/шум и качество измерений.

Шумоподавление является важной задачей томографии, поскольку шум определяет погрешность реконструкции распределений плотности вещества и точность определения геометрических размеров.

Шумом называют беспорядочные случайные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры [94]. Уменьшить случайный шум на изображениях можно увеличивая мощность рентгеновского излучения в КТ, что приводит к росту эксплуатационных затрат, или увеличивая число измерений (что увеличивает продолжительность исследования) в МРТ. В то же время, сокращение времени сканирования позволяет устранить ошибки измерений, вызванные изменением положения исследуемого объекта в пространстве, повысить качество исследований пациентов с нарушениями сознания и увеличить пропускную способность аппарата.

В настоящее время практически ценной и актуальной является задача разработки методов и средств устранения шума и артефактов изображений в томографии, новые пути решения которой стали возможны благодаря цифровой форме представления результатов измерений и использованию протокола DICOM 3.0, выполняющему функцию стандартизации медицинской графической информации [13, 65]. DICOM-файл хранит не только сведения об условиях проведения исследования, положении пациента в момент сбора данных и другие сведения, требуемые при анализе изображений объекта, полученных в разное время и в разных условиях, но и матрицу истинных значений интенсивностей регистрируемых сигналов. Последнее свойство DICOM является его отличительной особенностью, позволяющей проводить эффективную компьютерную коррекцию изображений, поскольку прочие форматы представления данных (например, jpeg) поддерживают лишь 256-уровневую шкалу интенсивностей, что приводит к потере части информации. Данная диссертационная работа посвящена разработке методов и алгоритмов шумоподавления на основе вейвлет-анализа изображений, представленных в формате DICOM.

Цель диссертационной работы. Целью данной работы является анализ и совершенствование существующих, а также разработка новых методов и средств шумоподавления.

Достижение данной цели позволяет решить важную научно-техническую проблему повышения качества изображений внутренней структуры объектов при сокращении времени исследования и лучевой нагрузки в различных видах томографии.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— анализ и сравнение существующих методов повышения качества изображений;

— исследование влияния вейвлет-фильтров на точность передачи геометрических размеров и на соотношение сигнал/шум;

— разработка методов и средств обработки томографических изображений, позволяющих повысить соотношение сигнал/шум и устранить наиболее характерные артефакты при сокращении времени сканирования;

— разработка и тестирование алгоритмов и программ шумоподавления, работающих с данными в исходном формате томографа, позволяющих снизить временные затраты на обработку данных и объем требуемой машинной памяти;

— разработка методики коррекции профиля чувствительности регистрирующей сигнал радиочастотной катушки;

— нахождение количественных оценок результатов шумоподавления, их статистический анализ и сравнение полученных методов шумоподавления с существующими.

Основные положения, защищаемые в диссертации:

1) использование ранговой, медианной и адаптивной фильтрации хотя и снижает уровень шума, приводит к размыванию изображений и потере мелких структур объектов;

2) разработанный метод вейвлет-анализа позволяет повысить качество изображений промышленных и биологических объектов при сокращении времени исследования, хотя, как известно, вейвлет-фильтры не снижают точность передачи геометрических размеров, но при этом позволяют увеличить соотношение сигнал/шум;

3) созданные программные средства, использующие данные в исходном формате томографа, позволяют повысить эффективность шумоподавления;

4) предложенная методика коррекции профиля чувствительности радиочастотной катушки позволяет повысить соотношение сигнал/шум и устранить ряд артефактов изображений;

5) проведенный статистический анализ качества коррекции изображений предложенным методом вейвлет-анализа позволяет сделать вывод об эффективности разработанных в диссертации методов и средств шумоподавления.

Методы исследования. Основные результаты работы получены с применением вейвлет-преобразовований данных и преобразования Фурье. В работе использованы методы ранговой и медианой фильтрации, фильтрации Винера, методы коррекции исходных данных k-пространства, вейв-лет-анализ, методы статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— исследовано влияние применения различных вейвлет-фильтров на точность передачи геометрических размеров в томографии и соотношения сигнал/шум изображений;

— на основе проведенного системного анализа признаков артефактов томографических изображений предложены алгоритмы улучшения их качества;

— разработан алгоритм коррекции искажений, вызванных профилем чувствительности катушки;

— разработано программное обеспечение, реализующее подавление шума изображений и работающее с данными в исходном формате прибора;

— исследована зависимость качества откорректированных изображений от используемого алгоритма фильтрации и его параметров.

Совокупность представленных в работе результатов может рассматриваться как фундаментальные основы инженерных наук, касающиеся теории и эффективности функционирования томографических измерительных систем. Внедрение технических решений, принятых на основании исследований, проведенных в диссертационной работе, вносит значительный вклад в совершенствование томографических исследований.

Достоверность научных результатов, полученных в работе, обеспечивается строгостью постановки задач, применяемых математических методов, статистической обработкой полученных результатов и их сравнением, где это возможно, с известными данными. Обработка экспериментальных данных проводилась на базе кафедры измерительных технологий и компьютерной томографии СПбГУ ИТМО и кафедры рентгенологии Санкт.

Петербургской медицинской академии последипломного образования. Томографические изображения были получены в Санкт-Петербургской медицинской академии последипломного образования на MP-томографе «Signa Infinity» («General Electric») с магнитным полем В = 1,5 Тл и на компьютерном томографе LightSpeed Plus («General Electric»), в СПб ГУЗ «Городская Покровская больница» на MP-томографе «Signa Infinity» («General Electric») с магнитным полем В = 1,0 Тл и компьютерном томографе «Somatom AR. SP» («Siemens»), в Санкт-Петербургском научно-исследовательском психоневрологическом институте им. В. Н. Бехтерева на МР-томографе «Universal-Max» с магнитным полем В = 0,15 Тл.

Практическая ценность результатов работы заключается в создании средства шумоподавления, реализуемого с помощью программного продукта, эффективное применение которого возможно для широкого класса томографических исследований, требующих высокого качества изображений и точности измерений. Выполненные исследования и статистический анализ полученных результатов позволяют выработать рекомендации для пользователей медицинских томографов в областях, требующих быстрого получения изображений с высоким соотношением сигнал/шум. Метод улучшения качества и сжатия томографических изображений с помощью вейвлет-фильтров может применяться в клинической практике в диагностических центрах, в том числе при проведении удаленных консультаций (телемедицина) [58].

Реализация работы. Разработанные средства шумоподавления были использованы в ФГУ «Российский научно-исследовательский нейрохирургический институт им. проф. A.JI. Поленова» в рамках федеральной НИР «Некоторые фундаментальные вопросы современной нейрохирургии». Результаты работы были использованы при обработке результатов томографических исследований мелких биологических структур головного мозга, полученных с высоким пространственным разрешение.

Предложенные методики повышения качества томографических изображений позволило улучшить их качество и повысить информационную составляющую результатов исследований, проводимых на магнитно-резонансном томографе Universal-Max, установленном в Научно-исследовательском психоневрологическом институте им. В. Н. Бехтерева.

Разработанные алгоритмы шумоподавления в томографии, позволяющие повысить соотношение сигнал/шум и устранить характерные для быстрого сбора данных в MP-томографии артефактов, прошли апробацию и были внедрены на магнитно-резонансном и компьютерном томографах СПб ГУЗ «Городская Покровская больница».

Результаты диссертационной работы были внедрены в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургская медицинская академия последипломного образования» при коррекции артефактов изображений, вызванных взаимодействием биологического объекта с поверхностью радиочастотной катушки. Предложена методика снижения артефактов на основе коррекции профиля чувствительности катушки и вейвлет-анализа сигнала.

Опубликованные результаты работы внедрены в учебный процесс на факультете точной механики и технологий СПбГУ ИТМО. Материалы были использованы при чтении лекций и проведении лабораторных работ по дисциплинам ЕН.Ф.06 «Физические основы получения информации», СД.Ф.02 «Теория измерений», СДМ.В.02 «Современные виды томографии», СД.Р.05 «Конструирование медицинских томографов», СД.Р.08 «Лучевая диагностика в клинической медицине», а также в учебном пособии [81], получившем гриф «Рекомендовано УМО по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного издания для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200 100 «Приборостроение» «.

Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими документами.

Работа получила развитие и поддержку Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 05−08−65 468а как работа в области фундаментальных основ инженерных наук.

Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на кафедре измерительных технологий и компьютерной томографии и кафедре мехатроникина I-III конференции молодых ученых (2003 г., 2004 г., 2005 г., СПб) — на IX международной конференции «Региональная информатика» (2004 г., СПб) — 4th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering ECCOMAS (Finland, 2004), конференции «Оптика и образование» (2004 г., 2006 г., СПб) — XXXIV научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (2005 г., СПб) — Политехническом симпозиуме «Молодые ученые — промышленности Северо-Западного региона» (2005 г., СПб) — конференции «Информатика и управление в медицинских системах» (2006 г., СПб).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе одно учебное пособие с грифом УМО.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 3 приложений, библиографического списка из 95 наименований. Объем диссертации 124 страницы, 42 рисунка и 10 таблиц.

Выводы по главе 5.

При проведении шумоподавления изображений в томографии для достижения наилучшего эффекта необходимо учитывать тип исследуемого объекта и физический принцип получения информации (вид томографии).

Для снижения погрешностей измерений интенсивности сигнала (уменьшение среднеквадратического отклонения) необходимо использовать оптимизированные протоколы сканирования применительно к решаемым измерительным задачам. Использование дополнительной информации позволяет выбрать наиболее удобный протокол исследования и использовать оптимальные алгоритмы при шумоподавлении.

Коррекция протоколов сканирования должна осуществляться исходя из условия достижения оптимального соотношения сигнал/шум и времени сканирования.

Полученные в ходеMP-исследований препаратов головного мозга протоколы разработаны автором диссертации, позволяют достичь оптимального сочетания соотношения сигнал/шум и диагностической ценности исследования. Данные исследования выполнены в рамках федеральной НИР российского нейрохирургического института им. проф. A.JI. Поленова, а по их результатам планируется получение авторского свидетельства.

Необходимо предоставлять оператору возможность изменять параметры визуализации результатов исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Суммируя полученные результаты, можно констатировать, что цель диссертационной работы, сформулированная во введении, а именно, анализ и совершенствование существующих, а также разработка новых методов и средств шумоподавления, позволяющих повысить качество изображений в томографии, достигнута.

В диссертации решена научно-техническая проблема повышения качества изображений внутренней структуры (распределение плотности) объектов при сокращении времени исследования и лучевой нагрузки в различных видах томографии. Как следует из результатов работы, повышение качества измерений может быть осуществлено на основе вейвлет-анализа исходных данных, представленных в формате DICOM. Предложенные методы шумоподавления охватывают широкий спектр современных прикладных задач эксплуатации томографических установок.

Основные научные и практические результаты, полученные в результате исследований, заключаются в следующем:

1) проведенный анализ существующих методов повышения качества изображений показал, что использование ранговой, медианной и адаптивной фильтрации, обратного биортогонального вейвлет-фильтра приводит к размыванию изображений и непригодно при обработке томографических изображений биологических объектов;

2) исследование показало, что применение вейвлет-фильтров не влияет на точность передачи геометрических размеров, но при этом позволяет увеличить соотношение сигнал/шум.

3) разработанный метод вейвлет-анализа и программное обеспечение позволяют повысить качество изображений промышленных и биологических объектов за счет увеличения соотношения сигнал/шум и сократить время исследования при сохранении требуемой точности измерений;

4) созданные и протестированные программные средства, использующие данные в исходном формате томографа, позволяют повысить скорость и качество проводимого шумоподавления;

5) предложенная методика коррекции профиля чувствительности радиочастотной катушки позволяет повысить соотношение сигнал/шум и устранить артефакты изображений, вызванные взаимодействием объекта с ее поверхностью;

6) проведен количественный анализ качества коррекции изображений с точки зрения визуального восприятия (Q), степени отклонения реального распределения яркостей от нормального (<т), пикового соотношения сигнал/шум (PSNR) применительно к конкретным измерительным задачам;

7) представлен результат статистического анализа качества коррекции, позволяющий сопоставить эффективность шумоподавления с помощью различных вейвлет-функций.

8) использование вейвлет-преобразований при реконструкции изображений позволяет повысить ее скорость и увеличить соотношение сигнал/шум, а также сократить объем файла, что является важной задачей в клинической практике при сетевом обмене информацией без потерь;

9) разработаны рекомендации пользователям по эксплуатации томографов, позволяющие повысить качество измерений за счет снижения шума и артефактов изображений применительно к конкретным прикладным задачам;

10) полученные результаты внедрены при проведении томографических исследований в ряде медицинских и научно-исследовательских учреждений Санкт-Петербурга.