Программа обработки DICOM файлов в среде Builder C++

Программа обработки DICOM файлов в среде Builder C++

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра физики и информационных систем

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

ПРОГРАММА ОБРАБОТКИ DICOM ФАЙЛОВ В СРЕДЕ BUILDER C++

Работу выполнил

Покатилов Сергей Александрович

Научный руководитель

д. физ.-мат. наук, профессор

Н.М. Богатов

Краснодар 2013

Реферат

Покатилов С.А. ПРОГРАММА ОБРАБОТКИ DICOM ФАЙЛОВ В СРЕДЕ BUILDER C++. Дипломная работа 73 с., 24 рис., 1 табл., 19 источников.

МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ ТОМОГРАФИЯ, CAD-СИСТЕМЫ, ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ DICOM, МЕДИАЛОГ, C++ BUILDER, КОНТРАСТИРОВАНИЕ, МР-ВЕНОГРАФИЯ

Объектом исследования дипломной работы является отраслевой стандарт изображений и документов обследованных пациентов DICOM.

Целью работы является расширение функциональности программного обеспечения научно-исследовательской установки МР-томографа, в результате разработки программного модуля, отвечающего за сохранения полученного изображения и данных в международном медицинском формате DICOM, обработка и анализ его при помощи интегрированной среды программирования C++ Builder.

Основным результатом дипломной работы является разработанная программная структура, описывающая текстовую составляющую формата DICOM, осуществляющая обработку и анализ его при помощи интегрированной среды программирования C++ Builder.

Содержание

Введение

. Общие сведения о магнитно-резонансной томографии

.1 История появления МРТ диагностики

.2 Физические основы МРТ

.3 Базовые принципы магнитного резонанса

.4 Механизм взаимодействия радиоволн

.5 Контрастирование

.6 МР-венография

.7 Диффузионно-взвешенная МРТ

.8 Функциональная магнитно-резонансная томография

.9 Магнитно-резонансная спектроскопия

. Основные типы аппаратуры. Клиническое применение МРТ

.1 Резистивные магниты. Постоянные магниты. Сверхпроводящие магниты

.2 Типы МР-томографов и получаемые изображения

. Математические аспекты применения программных систем при анализе медицинских изображений

.1 CAD-системы

3.2 Медиалог

.3 Состав стандарта DICOM. Информационная модель DICOM

.4 Опция DICOM-3.0 для APM «Medical Vision»

.5 Обработка Dicom. OsiriX

.6 Анализ форматов хранения изображений и медицинских заключений магнитно-резонансной томографии

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

В настоящее время широкое распространение получили различные диагностические центры, использующие цифровую аппаратуру крупнейшими производителями радиологического оборудования (PICKER, GE, Siemens, HP, Philips) обусловило необходимость оперативной передачи полученных в ходе медицинских исследований данных между этими центрами, реализацию возможности обработки изображений для повышения их качества и анализа.

В связи с вышеизложенным для использования компьютерных технологий в медицине, возникла потребность в коммуникационных возможностях, которые позволяли бы:

объединять в сеть существующее цифровое оборудование для повышения эффективности работы и снижения затрат ручного труда;

обеспечивать расширяемость существующей сети путем подключения к ней нового оборудования;

интегрировать различные данные для повышения качества диагностики.

Универсальные компьютерные сетевые технологии не позволяют объединять различные виды медицинского оборудования. Поэтому его производители были вынуждены разрабатывать собственные коммуникационные интерфейсы. Однако из-за широты спектра используемого медицинского оборудования производства различных компаний, возникла необходимость в разработке коммуникационных стандартов.

Формат DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine. т.е. цифровые снимки и средства связи в медицине) является всемирным стандартом обмена данных в медицинских информационных системах. С его помощью осуществляется обмен снимками и данными, создаваемыми различными медицинскими приборами, генерирующими и обрабатывающими изображения и информацию.

Целью настоящей работы является расширение функциональности программного обеспечения научно-исследовательской установки МРТ, в результате разработки программного модуля, отвечающего за сохранения полученного изображения и данных в международном медицинском формате DICOM.

На сегодняшний день DICOM является хорошо проработанным стандартом, на который имеет смысл ориентироваться российским разработчикам.

Разработке в дипломной работе подлежит исследование структуры формата DICOM; алгоритма преобразования данных в формате DICOM; основы визуального программирования с применением программного пакета C++ Builder, программный модуль для сохранения изображений, полученных при помощи МРТ в медицинском формате DICOM.

1. Общие сведения о магнитно-резонансной томографии

.1      История появления МРТ диагностики

Появление магнитно-резонансной томографии часто сравнивают с первооткрытием рентгеновских лучей, настолько важна её роль в современной медицинской диагностике. Поначалу, когда данное исследование только начало практиковаться в медицине, его использовали только для диагностики заболеваний центральной нервной системы. Сегодня же МРТ используется практически во всех медицинских областях и во многих научных исследованиях [1].

Как известно, 20 век принёс человечеству целый ряд гениальных открытий, но самыми важными оказались открытия рентгеновских лучей и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для твёрдых тел и жидкостей. Так ЯМР лёг в основу современной магнитно-резонансной томографии, а первооткрывателями считаются американские учёные Феликс Блох и Ричард Пурселл, которые сделали своё великое открытие в 1946 году независимо друг от друга. Следуя по стопам великих учёных, ЯМР начала использоваться другими физиками и химиками для исследований в органической и физической химии, а также биохимии и биофизике. Дальше профессором Полом Лаутербургом в 1972 году было сделано первое двухмерное ЯМР-изображение, которое представляло собой снимок двух стеклянных капилляров.

Несмотря на то, что на этот снимок ушло больше 4 часов, исследования с успехом продолжались и дальше, в результате чего в самом начале 80-х годов появились первые томографы, работающие на основе магнитно-резонансных излучений [1]. Магнитное поле по своей напряженности колеблется в широких пределах, начиная от 0,3 Теслера и выше, но в медицинской практике используются сверхпроводящие магниты до 2-2,5 Теслера, образующие безопасное магнитное поле для обследуемого человеческого организма.

Основные даты.

- П.Зееман открыл эффект расщепления уровней в магнитном поле.

- И.Раби открыл резонансное измерение магнитных моментов ядер в молекулярном пучке.

- Е.К. Завойский - первооткрыватель нового фундаментального явления - электронного парамагнитного резонанса.

В 1946 году Феликс Блох из Стенфордского университета и Эдвард Парселл из Гарвардского университета независимо друг от друга открыли явление ядерного магнитного резонанса. В 1952 году оба они были удостоены Нобелевской премии по физике «за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия».

Годом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973 год, когда профессор химии и радиологии из Нью-йоркского университета Стони Брук-Пол Лотербур, опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса» в которой были представлены трехмерные изображения объектов, полученные по спектрам протонного магнитного резонанса воды из этих объектов. Эта работа и легла в основу метода магнитной резонансной томографии (МРТ) [2].

Позже доктор Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения. Оба они были удостоены Нобелевской премии за 2003 год в области физиологии и медицины за решающий вклад в изобретение и развитие метода магнитной резонансной томографии.

В 1975 году Ричард Эрнст предложил магнитно-резонансную томографию с использованием фазового и частотного кодирования, метод, который используется в МРТ в настоящее время.

1.2 Физические основы МРТ

Характеристики атомных ядер, делающие возможным магнитный резонанс - магнитные моменты и протонную прецессию магнитного поля, свойства спиновой релаксации, которые делают возможным различать протоны в различных средах, частоты импульсов, которые производят информацию для того, чтобы создавать МР изображения [2].

Магнитно-резонансное изображение основано на принципе ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), который был важной ветвью физики и химии со времени открытия Блохом и Парселлом в 40-х гг. ХХ в. Поначалу ЯМР применялся лишь в качестве инструмента химического анализа материалов, а о его приложении к биологическим объектам пошла речь только в начале 70-х гг. ХХ в. В наши дни МРТ стал незаменимым методом визуальной диагностики благодаря своей информативности и отсутствию вредных воздействий.

Формально принадлежа к отрасли лучевой диагностики, МРТ не имеет с ней ничего общего в части применения ионизирующего излучения, но имеет общий рабочий принцип с другими видами томографии по своей сути (исходя из суммарной информации, полученной от некоторого среза вещества, определить локальную информацию, а именно - плотность вещества в каждой точке сечения объекта). Преимущество МРТ перед КТ состоит в более высокой разрешающей способности, большей контрастности изображений, МРТ позволяет составить более чёткое представление об объёме и неравномерности распространения опухолей благодаря возможности получения изображения в любых плоскостях [2].

Если даже при спиральной КТ с возможностью трехмерной реконструкции изображения в продольной и фронтальной плоскостях «додумываются» компьютером из поперечных срезов, то при МРТ, полученные томограммы (срезы) всегда являются истинными, что имеет очень важное значение для правильной оценки структур изучаемой области исследования.

Широкий диапазон режимов сканирования определяет детальное изучение того или иного патологического процесса с высокой степенью достоверности полученного результата. Метод продолжает интенсивно развиваться, приборы стали удобнее в обращении, улучшается качество изображений, сокращается время исследования, появляются новые алгоритмы и методики работы.

1.3 Базовые принципы магнитного резонанса

Принцип МРТ (ЯМР) основаны на том факте, что ядра определенных элементов имеют магнитный момент. Это означает, что если образец атомов одного из этих элементов был помещен в магнитное поле, его ядра будут выстраиваться в линию вдоль магнитного поля. Но ядра не выстраиваются строго в направлении магнитного поля. Каждый тип ядра имеет ассоциируемое с ним качество, называемое магнитным моментом [3]. Идея внутреннего магнитного момента ядра - фундаментальная для МР изображения. Это может быть пояснено на примере вращения верха конуса. Когда он находится под углом к вертикали, он будет отклоняться от вертикальной оси (рис. 1а). Верх конуса будет вращаться вокруг своей собственной оси, а ось вращения верха будет поворачиваться вокруг вертикальной оси.

Рисунок 1 а) - Прецессия верха конуса вокруг вертикальной оси;

Рисунок 1 б) - Прецессия атомного ядра вокруг магнитного поля;

Рисунок 1 в) - Протон имеет две ориентации, в которых он может находиться в магнитном поле

Это - явление так называемой прецессии, при котором ось вращающегося объекта поворачивается под действием внешних влияний.

Наглядно наблюдать прецессию можно, например, если запустить волчок и подождать, пока он начнёт замедляться. Первоначально ось вращения волчка вертикальна. Затем его верхняя точка постепенно опускается и движется по расходящейся спирали. Это и есть прецессия оси волчка. В случае МРТ прецессия возникает благодаря угловому моменту ядра, который называют спином (именно они позволяют генерировать изображения).

Спиновое квантовое число - квантовое число, определяющее величину спина квантовой системы (атома, иона, атомного ядра, молекулы), то есть её собственного (внутреннего) момента импульса.

В квантовой механике спин ядра представлен определенным значением. В зависимости от значения спинового числа, для каждого атомного ядра будет несколько разных ориентаций, в которых ядра могут выстраиваться в линию в магнитном поле. Каждая ориентация представлена разным углом направления магнитного поля, вокруг которого ядро будет осуществлять прецессию.

МРТ стала возможна благодаря тому факту, что ядро атома водорода (единственный протон) имеет магнитный момент. Спин протона таков, что протон имеет строго два возможных пути выстраиваться под действием приложенного магнитного поля (рис. в). Водород стал наилучшим агентом для использования в МР визуализации благодаря тому, что он широко присутствует в человеческом теле.

Частота, с которой ядро осуществляет прецессию - это функция как силы магнитного поля, так и собственно ядра. Данная частота, называемая Ларморовой частотой, пропорциональна силе магнитного поля и зависит от магнитных свойств ядра:

 (1)

Уравнение Лармора описывает частоту, на которой ядро поглощает энергию.

Для проведения ЯМР исследования необходимо поместить объект в мощное, статическое и однородное магнитное поле, создающее внутри тканей изображаемого объекта макроскопическую ядерную намагниченность. Регистрация сигнала происходит от резонирующих ядер, имеющих как спин, так и магнитный момент. Такими ядрами являются водород 1Н, 2Н, углерод 13С, азот 14N, фтор 19F, натрий 23Na, фосфор 31Р. Чаще всего в МРТ используются протоны водорода 1Н по двум причинам: высокой чувствительности к МР сигналу и их высокому естественному содержанию в биологических тканях. Ядро водорода (протон) имеет два важных свойства: электрический заряд и спин [4]. Магнитный момент пропорционален квантовому числу I (cпину). Спин ядра может иметь значения I = 0, 1/2, 1, 3/2, 2,…до 7.

Ядро также имеет магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем B₀. При помещении протона в поле B0 система может находиться только в двух энергетических состояниях: низкоэнергетическом (магнитный момент направлен параллельно B₀) и высокоэнергетическом (магнитный момент антипараллелен B₀). В состоянии равновесия большее количество спинов (N+) будет находиться в состоянии с меньшей энергией, чем в состоянии с большей энергией. Если ядро с угловым моментом P и магнитным моментом помещено в статическое сильное магнитное поле B₀, ориентация углового момента станет такой, как его составляющая P_z вдоль направления поля. На практике приходится иметь с ансамблем протонов. При отсутствии внешнего поля магнитные моменты ядер ориентированы случайным образом. При помещении объекта в постоянное магнитное поле ядра, обладающие спинами и магнитными моментами, начинают вести себя как диполи, выстраиваясь параллельно постоянному магнитному полю и формируя суммарный вектор намагниченности M (рис. 2).

Рисунок 2 - Распределение ядер при отсутствии (а) и наличии (б) внешнего магнитного поля и прецессия магнитного момента (в)

Магнитные моменты индивидуальных спинов складываются, создавая суммарный вектор намагниченности, который представляет собой сумму магнитных моментов атомов. В перпендикулярной плоскости намагничивание будет отсутствовать, т.к. поперечные проекции всех моментов хаотично распределены и их суммарный вектор равен нулю [4]. При этом сами диполи не находятся в статическом положении, а постоянно вращаются по конусу вокруг направления поля B₀ согласно Ларморовой частоте.

Для получения сигнала от ядер необходимо облучить объект, помещенный в постоянное магнитное поле, дополнительным радиочастотным (РЧ) полем. Если частота РЧ-сигнала совпадает с параметрами ядра и магнитного поля, то возникает резонанс - атомы элемента поглощают энергию импульса и переходят на более высокий энергетический уровень. После прекращения действия РЧ импульса образованный магнитными моментами ядер суммарный вектор намагниченности M_z, отклонившийся от направления силовых линий основного поля, возвращается в исходное состояние M₀. Т.о. после РЧ импульса продольная составляющая намагниченности M_z возвращается в состояние M₀, а поперечная намагниченность M_xy - в нулевое значение (рис. 3).

Рисунок 3 а) - формирование суммарного вектора;

Рисунок 3 б) - суммарный вектор намагниченности может быть поделен на два компонента - продольная намагниченность, проложенная в направлении магнитного поля (Мz) и поперечная намагниченность (Mxy) на поверхности, ортогональной к полю

1.4 Механизм взаимодействие радиоволн

В основу принципа метода магнитно-резонансной томографии положено использование магнитного поля и радиоволн для получения изображения, восстановленного математическими методами.

При МРТ происходит взаимодействие радиоволн (и статических магнитных полей) непосредственно с атомным ядром. Не все ядра реагируют на магнитное поле. Используется же в основном ядро атома водорода, так как водород содержится в любом организме в большом количестве и способен принимать и излучать радиоволны [5].

Магнитно-резонансная визуализация возможна вследствие физического эффекта: прецессии ядер вокруг вектора напряженности под действием сильного статического (постоянного) магнитного поля. Вращающийся протон (ядро водорода) прецессирует в сильном магнитном поле. На ядро, прецессирующее в приложенном магнитном поле, можно воздействовать внешним переменным электромагнитным полем (радиоволной).

Рисунок 4 -