Авшаров Евгений Михайлович – руководитель разработки и реализации PACS системы приема, хранения и передачи медицинских DICOM изображений AS_VIMeN, обработки и визуализации на рабочих станциях 2D Обработки и визуализации реального времени AS_GSV “Michelangelo”, DICOM серверов и принтеров серии AS, главный архитектор технологии “Микросекундная рентгенология”, основанной на новых физических и технологических принципах, для создания принципиально нового класса рентгенологического диагностического медицинского и промышленного оборудования. Сертифицированный инженер фирмы Siemens по рентгеновской технике и фирмы General Electric по компьютерной томографии; разработчик идеологии и технологии создания цифровых адаптивных систем получения, хранения и конвейерной 2D обработки и визуализации реального времени потока динамических медицинских изображений высокого разрешения. Технический директор ООО “КУРС-АС1”, город Москва.
Какие технические трудности не позволяют крупным производителям рентгеновского оборудования существенно уменьшить дозу вредного излучения?
Рентгеновская доза, необходимая для создания корректного диагностического изображения, находится в прямой зависимости от начальной квантовой эффективности DQE(0) плоских рентгеновских детекторов (Flat Panel Detector – FPD).
Многие производители FPD не очень любят предоставлять характеристики начальной зависимости квантовой DQE(0) эффективности от величины входящей рентгеновской дозы, и вот почему: даже для FPD прямого преобразования, выполненных на сцинтилляторе CsI c усилителем на аморфном селене a-Se при коэффициенте усиления равном 1.0, в области диапазона малых доз 1.0-10nGy (0.1-1.0µR), изменение значения DQE(0) находится в диапазоне от 0.10 до 0.30, поэтому требуется установка значения коэффициента усиления в слое a-Se от ~50 и выше, что приводит к пропорциональному увеличению квантовых шумов.
Таким образом, ведущие производители рентгеновского оборудования вышли на предел повышения мощности рентгеновского излучения и уперлись в пределы преобразования рентгеновских детекторов по традиционным технологиям, как в медицине, так и в промышленности. В настоящее время существующие подходы к построению рентгеновских диагностических систем не позволяют объединить в одном изделии такие характеристики, как: увеличение разрешения динамических рентгеновских детекторов с одновременным увеличением скорости съемки в кадрах в секунду, которое напрямую влияет на диагностический процесс; уменьшение рентгеновской дозы на порядок и более, т.к. для увеличения разрешения рентгеновских изображений в 4 раза необходимо увеличить дозу, приходящуюся на пиксель изображения, в 16 раз; уменьшение фокусного пятна рентгеновской трубки до величины 0.1*0.1mm и менее, при времени съемки кадра рентгеновского изображения в несколько миллисекунд (даже самая лучшая обработка позволяет достичь реального разрешения не более 0.7-:-0.5 от размера фокусного пятна, даже если разрешение рентгеновского детектора сильно превышает это значение); снижение интегральной мощности излучения на кадр рентгеновского изображения без увеличения мгновенной мощности рентгеновской трубки.
На каких принципах возможно увеличение разрешающей способности рентгенологии с уменьшением рентгеновской дозы?
Качество и диагностическая значимость изображений, получаемых в рентгенологии, зависят от четырех главных компонент: рентгеновских излучателей (рентгеновских трубок), рентгеновских высоковольтных генераторов, детекторов рентгеновского излучения и систем обработки и визуализации изображений.
Нами была решена задача по нивелированию влияния вторичного (паразитного) рентгенологического излучения на качество изображений. Доступные в настоящее время математические методы частичного нивелирования вторичных паразитных излучений, возникающих в объекте исследования, позволяют обрабатывать как поток 16-ти битных кадров в реальном времени, так и поток субтракционных изображений, форматом до 1024*1024 (т.е. 1-го мегапикселя = 1.0Mpix) при 30 кадрах в секунду.
Нами это достигается за счет создания многоступенчатого 16-битного гибкого многофункционального конвейера математической обработки потока изображений с последовательным применением наборов функциональных элементов – матричных фильтров, нелинейных и спектральных преобразователей, параметры которых доступны оператору процесса обработки. При этом физический поток данных может достигать 120MB/s при 60 кадрах в секунду (для формата 1024*1024*16b), а требуемый для визуализации, без задержки отображения и возможности его восприятия человеческим глазом, достаточно 60MB/s при 30 кадрах в секунду. Качество частичного нивелирования вторичного паразитного излучения зависит от технологии обработки и возможностей функциональных элементов конвейера обработки.
Этапы обработки изображения от исходного до получения субтракционного изображения, на котором четко видны даже мельчайшие кровеносные сосуды
На видео показаны этапы конвейерной обработки от первичного исходного изображения до субтракционного, позволяющей частично нивелировать вторичное (паразитное) излучение, но не полностью, степень нивелирования и характеризует качество математической обработки. Запрос на увеличение динамического отображения изображений большого формата 9-12Mpix при 30-60 кадрах в секунду требует увеличения мощности вычислительного конвейера на порядок и более, в связи с увеличением входного потока до 1440MB/s (12Mpix при 60 кадрах в секунду), что является для обработки весьма нетривиальной задачей по созданию динамического конвейера потоковой обработки изображений.
Таким образом, выход из системных ограничений традиционной рентгенологии для многократного увеличения эффективности и безопасности метода возможен за счет создания нового класса рентгеновских диагностических систем в рамках технологии “Микросекундная рентгенология”. Решение не имеет аналогов в мировой радиологической практике.
Каковы основные результаты применения микросекундной рентгенологии?
- Кардинальное сокращение рентгеновской дозы более чем в 20 раз и более при любых видах рентгеновских исследований, как в медицинских обследованиях, особенно в таких как маммо-графиические и ангиографические, в рентгенологических исследованиях, основанных на принципах “томосинтеза” и компьютерной томографии; так и в системах рентгеновского неразрушающего контроля, в системах рентгеновского досмотра и безопасности.
- Одновременно увеличится в 3-4 раза разрешение динамических изображений, т.е. до (100-:-50)µm против (400-200)µm при 30/60 кадрах в сек., по сравнению с современными рентгеновскими медицинскими системами, что потребует создания новых стандартов диагностического процесса в общей рентгенологии, в области компьютерной томографии, при ангиографических исследованиях, маммографии и т.п.
- Дополнительным эффектом является уменьшение более чем в 20 раз интегральной мощности рентгеновского генератора с (50-:-120)kW до (2-:-4)kW при мгновенной мощности рентген- трубки – с (30-:-100)kW до (15-:-30)kW, обеспечит практическое отсутствие нагрева рентгеновских трубок и генераторов, и приведет к многократному увеличению их жизненного цикла.
- Потоковая конвейерная обработка реального времени (более 1500MB/s), для уменьшения рентгеновских шумов динамических изображений, базирующаяся на уникальном инструментарии параллельных вычислений реального времени, при увеличении разрешающей способности и четкости получаемых изображений.
- Увеличение разрешения компьютерного томографа до (100-:-50) микрон при фокусе рентгеновской трубки в пределах от 0.15×0.15mm до 0.1×0.1mm (в области медицины).
- Мультимодальность – совмещение в одном устройстве высокого разрешения рентгеновского диагностического аппарата и компьютерного томографа.
- Уменьшение стоимости микросекундной рентгеновской трубки, микросекундного рентгеновского генератора и микросекундного рентгеновского детектора, связанные с конструктивно – техническими особенностями последних и высокой технологичностью их изготовления, что приведет к уменьшению “совокупной стоимости владения” (CTO) всего рентгеновского комплекса до 50%.
Где были внедрены Ваши разработки?
В настоящее время системы обработки медицинских изображений работают в Москве в клинике МЕДСИ, в детской поликлинике Управления делами президента, в клинике Газпрома, в 12 городской больнице и более чем 47 клиниках по стране.
Можно ли использовать разработанные методы в астрономии для углубленного исследования космоса, микроскопии, обработки фотографий и цифровой обработки сигналов произвольной природы?
Восстановление изображений по проекциям – это одна из функций практической астрономии и многих других практических отраслей (геология, биология и т.п.). Технология может быть применима для любых процессов проходящих с поглощением и отражением сигналов внутри исследуемого объекта – например для компьютерной томографии значительно улучшает изображения, полученные путём восстановления изображений по проекциям.
Необходимо подчеркнуть что хотя указанная технология разрабатывалась для медицины, в первую очередь для рентгенологии, она применима и для микроскопии, и обработки фото изображений высокого разрешения, отлично зарекомендовала себя и для обработки MRT изображений, актуальна для оптических изображений, и вообще для любых двумерных изображений высокого разрешения – как по размерам, так и в пикселях.
Интервью: Иван Степанян
