Создание электронных обучающих баз радиологических изображений: проблемы и перспективы.

Хоружик С. А.¹, Голуб Г. Д.¹, Дежурная С. Ф.²

¹Отделение лучевой диагностики, ²Отделение автоматизированных систем управления, ГУ "НИИ онкологии и медицинской радиологии им. Н.Н. Александрова", Минск.

Внедрение современных технологий диагностики и лечения в систему здравоохранения Республики Беларусь предъявляет дополнительные требования к уровню подготовки медицинских специалистов. Возрастающее значение приобретает также стандартизация лечебно-диагностического процесса. В этой связи все острее ощущается потребность в создании новых программ обучения и повышения квалификации врачей с учетом все более широкого распространения в нашем обществе современных информационных технологий, в том числе Интернет. Поскольку в лучевой диагностике решающее значение играет умение специалиста распознать зрительный образ, создание электронных обучающих баз радиологических изображений является насущной потребностью времени. При этом под базой изображений мы понимаем электронный продукт, включающий качественные радиологические изображения с подписями и пояснениями в удобной для просмотра на персональном компьютере форме, созданный с целью обучения и консультации. Безусловно, близко к обсуждаемой проблеме стоит понятие электронного архива радиологических изображений, или беспленочная лучевая диагностика, однако эта обширная тема выходит за рамки данной статьи. Здесь мы коротко останавливаемся на международном опыте, а также освещаем собственный взгляд на некоторые вопросы создания обучающих баз радиологических изображений в Беларуси.

Примером обучающей базы изображений в Интернет может послужить ресурс EURORAD (http://eurorad.org), созданный под патронажем Европейской Ассоциации Радиологов. Радиологическое Общество Северной Америки (крупнейшее в мире) также приступило к созданию собственной базы изображений в Интернет. Коммерчески доступна обширная база радиологических изображений фирмы MEDIOL (http://mediol.com) и другие. При этом замысел создания баз изображений сводится к следующему. Если в процессе интерпретации конкретного диагностического исследования возникают проблемы, врач лучевой диагностики прямо на рабочем месте (при условии подключения к Интернет) может осуществить поиск аналогичных диагностических изображений в базе изображений по ряду критериев, после чего выдается дифференциально-диагностический ряд от более вероятного диагноза к менее вероятному. Так устроена база MEDIOL. База EURORAD построена по-иному: она предлагает обширный набор случаев из практики, разделенных по органному и нозологическому принципу. Такая форма подачи материала более удобна для самообразования. Базы изображений могут также сохраняться на компакт-дисках или персональном компьютере. В этом случае подключение к Интернет не требуется.

Таким образом, электронные базы радиологических изображений могут быть использованы в клинической практике двумя путями: 1) как источник современных знаний (обучение) и 2) как экспертная система, помогающая в постановке диагноза (консультация).

Можно выделить следующие этапы создания электронных обучающих баз изображений:
1. Получение электронных копий изображений;
2. Обработка изображений;
3. Формирование подписей и пояснений;
4. Рецензирование;
5. Объединение изображений и текстовой части в удобной для просмотра на персональном компьютере форме.
Коротко остановимся на каждом из этапов.

1. Получение электронных копий изображений.

Данный этап является весьма трудоемким, зависимым как от типа используемого в учреждении диагностического оборудования, так и от конкретного вида исследования.

Современные рентгенорадиологические аппараты позволяют не только вывести изображения на экран монитора, распечатать на пленке, но и передать по сети либо сохранить на внешних носителях информации (компакт-дисках, MOD и др.). Это значительно облегчает работу по созданию электронных баз изображений, т. к. отпадает необходимость в сканировании. Но и здесь имеются некоторые трудности. В частности, на современных цифровых диагностических аппаратах изображения сохраняются в формате DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), не пригодном для просмотра на большинстве персональных компьютеров. Такие изображения приходится преобразовывать в другие наиболее часто используемые форматы графических файлов (.tif, .jpg, .gif). Для этого служат специальные программы просмотра и преобразования DICOM изображений (eFilm, OSIRIS и др.), не достаточно широко известные в нашей республике. И, тем не менее, наличие у диагностического оборудования DICOM-совместимости является значительным шагом вперед как на пути к созданию электронных обучающих баз и электронного архива радиологических изображений в частности, так и к электронному обороту информации в медицинских учреждениях в целом.

Большинство используемых в Беларуси рентгенодиагностических аппаратов, однако, не являются DICOM-совместимыми и не предусматривают возможности сохранения информации на электронных носителях. В этом случае приходится осуществлять сканирование оригиналов изображений на рентгеновской пленке или термобумаге. С технической точки зрения сканирование изображений на термобумаге, например изображений УЗИ, не представляет особых сложностей и может быть осуществлено практически любым сканером. Правда потери качества будут при этом возрастать: первый раз качество теряется при печати изображений на термобумагу и в дальнейшем при сканировании с нее.

Со сканированием изображений на прозрачной основе (рентгенограммы, КТ/МРТ-граммы и т. д.) гораздо сложнее. Для оцифровки последних дешевые, так называемы планшетные, или офисные, сканеры не подходят, т. к. в них отсутствует опция "сканирование на просвет", реализуемая в более дорогих моделях. Полоса сканирования на просвет может варьировать от нескольких сантиметров (для сканирования слайдов), до 40 см и более. Учитывая, что размер рентгенограммы органов грудной клетки составляет 30х40 см, размер поля сканирования на просвет 40 см можно считать оптимальным. Проблему в этом случае составляет высокая стоимость сканеров с такой характеристикой (от 2000 долларов США). Самыми "дешевыми" в этом смысле (300-400 долларов) являются сканеры с полем сканирования на просвет 10-15 см. На практике, однако, они оказываются абсолютно не пригодны для сканирования крупноформатных рентгенограмм, т. к. последние пришлось бы разрезать на 3-4 части для сканирования внутренних частей. В этом отношении наиболее приемлемым решением на наш взгляд являются сканеры с полем сканирования на просвет около 20 см (например, Agfa Arcus 1200). Данные модели относятся к среднему ценовому диапазону и позволяют сканировать рентгенограмму 30х40 см в два подхода (сначала одну половину, потом вторую), разрезать снимок не приходится. Естественно, что затраты времени на сканирование больших рентгенограмм и последующую обработку изображений при этом больше, чем в случае сканирования всей рентгенограммы целиком.

Помимо чисто технических деталей, о которых говорилось выше, очень важным моментом является проблема потери существенных деталей пленочных изображений при их оцифровке. Понятно, что если электронная копия изображения значительно уступает по качеству пленочному оригиналу, то ее ценность, как для обучения, так и для консультации, значительно снижается. В идеале электронная копия пленочного изображения должна удовлетворять следующим требованиям:
1) не уступать по качеству пленочному оригиналу, а в некоторых случаях с учетом возможностей цифровой обработки быть лучше его;
2) занимать как можно меньше места на диске, особенно если предполагается помещение в Интернет;
3) процесс сканирования должен осуществляться как можно быстрее, что особенно важно при одномоментном сканировании большого числа рентгенограмм.

Известно, что чем с большим разрешением осуществляется сканирование рентгенограмм, тем потенциально лучшим качеством должны обладать их электронные копии. Например, при сканировании рентгенограммы с разрешением 600 dpi полученная электронная копия должна быть заведомо лучше, чем при сканировании той же рентгенограммы с разрешением 300 dpi. С другой стороны сканирование с большим разрешением неизбежно увеличивает объем получаемого файла и требует больше времени. С целью изучения этих взаимоотношений на практике нами проведен эксперимент. С помощью сканера Mirage II (UMAX), имеющегося в отделе АСУ НИИ ОиМР, осуществлено сканирование 5 рентгенограмм органов грудной клетки с разрешением 300, 400 и 600 dpi каждой. В одном случае это была нормальная рентгенкартина, в двух - метастазы, в 1 - диссеминированный процесс в легких и в 1 - пневмоторакс. Фиксировались время сканирования и объем полученных файлов в соответствии с разрешением сканирования. Результаты этой части эксперимента представлены в виде графиков (Рисунок).

Рисунок. Зависимость времени сканирования (слева) и объема получаемого файла (справа) от разрешения, с которым осуществляется сканирование рентгенограммы.

Как видно, при повышении разрешения, с которым осуществлялось сканирование рентгенограмм, с 300 до 400 dpi время сканирования увеличивалось более чем в 2 раза и лишь незначительно при дальнейшем повышении разрешения до 600 dpi. Объем полученного файла увеличился менее чем в 2 раза при повышении разрешения с 300 до 400 dpi и резко возрастал при переходе к 600 dpi. При этом минимальное время сканирования составило 85 секунд, максимальное 285 секунд, минимальный объем файла 14,5 Мб, максимальный 89,7 Мб. Наибольшая разбежка времени сканирования рентгенограммы при переходе от разрешения 300 к 600 dpi составила 3,35 раза (с 85 до 285 секунд), а разбежка объема файлов 4,1 раза (19,7 и 78,9 Мб). Учитывая, что сканировалась лишь одна (правая) половина рентгенограмм, то при сканировании целого снимка с разрешением 600 dpi время сканирования будет не менее чем в 7, а объем файла в 8 раз больше, чем при сканировании той же рентгенограммы с разрешением 300 dpi. На сканирование рентгенограммы понадобится примерно 9 (!) минут. К этому необходимо добавить значительно возрастающую нагрузку на все системы компьютера при большем объеме файлов (около 160 Мб на одну рентгенограмму органов грудной клетки при разрешении 600 dpi!).

Во второй части эксперимента двум рентгенологам (Голуб Г. Д. и Хоружик С. А.) было предложено независимо друг от друга и не имея данных, с каким разрешением осуществлялось сканирование, сравнить между собой 3 электронных копии (с разрешением сканирования 300, 400 и 600 dpi) каждой из 5 рентгенограмм и выбрать лучшую (оценивается в 3 балла), со средним качеством (2 балла) и худшую (1 балл). При этом разрешалось сравнение с оригиналом на пленке. Результаты оценки приведены в Таблице (цифры в столбцах - баллы качества).

Таблица. Визуальная оценка двумя рентгенологами качества цифрового изображения, полученного при сканирования рентгенограмм с разным разрешением (3 - максимальная оценка).

Как видно, первый рентгенолог не нашел разницы в качестве электронных копий в зависимости от разрешения сканирования в 4 из 5 случаев. При оценке электронных копий первой рентгенограммы изображение, полученное при сканировании с наименьшим разрешением, было оценено как лучшее. Второй рентгенолог лишь в двух случаях (рентгенограммы 1 и 3) присвоил изображениям, сканированным с разрешением 600 dpi, максимальную оценку, в то время как в двух случаях сканирования с минимальным разрешением 300 dpi (рентгенограммы 1 и 2) также была выставлена наилучшая оценка качества. Анализ данных таблицы позволяет заключить, что в данном наборе из 5 рентгенограмм распределение оценок качества электронных копий носило скорее случайный характер, без явной зависимости от разрешения, с которым осуществлялось сканирование. Вероятно, это обусловлено неспособностью человеческого глаза найти разницу в передаче тонких деталей изображений на экране компьютера при сканировании рентгенограмм с разрешением 300, 400 и 600 dpi, хотя возможны и другие объяснения.

Результаты нашего эксперимента позволяют сделать предварительный осторожный вывод, что рентгенограммы органов грудной клетки могут сканироваться с разрешением 300 dpi. Ведь оказалось, что найти различия качества изображений при сканировании с минимальным (300 dpi) и максимальным (600 dpi) применявшимися разрешениями сложно. Использование разрешения 300 dpi позволит значительно (не менее 7 раз) экономить время на сканировании каждой рентгенограммы и снизить (не менее 8 раз) объем полученных файлов.

2. Обработка изображений.

После сканирования изображения сохраняем в формате .tif, считающемся оптимальным для длительного хранения исходных копий графических файлов. Недостатком данного формата является большой объем файлов, что не позволяет помещать их в базу изображений без предварительного преобразования в другие форматы графических файлов. Для этого наиболее часто используется "легкий" формат .jpg. Например, графический файл .tif объемом 80 мегабайт может быть "ужат" в файл .jpg объемом 30 килобайт и менее. К сожалению, при этом неизбежны потери качества изображений. Кроме того, при произведении манипуляций с .jpg файлами (изменение размера изображения по горизонтали и вертикали, добавление графических элементов - стрелочек, надписей и т. п.) и последующем повторном сохранении происходит дальнейшая потеря качества. Следовательно, всегда необходимо иметь начальные электронные копии в формате .tif, с которыми можно проделывать любые дальнейшие манипуляции, сохраняя окончательный вариант изображений в формате .jpg.

Лишь коротко отметим, что в некоторых случаях по нашему небольшому опыту качество электронных копий рентгенограмм можно улучшить в сравнении с оригиналом за счет цифровой обработки изображений: снять вуаль, отрегулировать яркость и контрастность, подчеркнуть определенные детали и т. п. Более подробное обсуждение этого важного вопроса выходит за рамки данной статьи.

3. Формирование подписей и пояснений.

Данный этап по своей сути является формой научного исследования, т. к. требует не только хорошего знания анамнеза, процесса диагностики у конкретного пациента, получения точной верификации диагноза, но и изучения тематической литературы. Особая ответственность этого этапа заключается в необходимости дать абсолютно точную и проверенную информацию, поскольку ошибочная интерпретация диагностических изображений, включенных в базу изображений, дискредитирует основную идею - создать качественный продукт для целей обучения и консультации. Поэтому возникает потребность в предварительном рецензировании помещаемой в базу информации.

4. Рецензирование.

В качестве примера системы рецензирования, обеспечивающей максимальное качество представляемой информации, можно привести ранее упоминавшуюся базу изображений Европейской Ассоциации Радиологов EURORAD. Каждый направляемый авторами диагностический случай проходит 3 уровня рецензирования. Первоначально материалы поступают к научным руководителям секций (торакальной радиологии, нейрорадиологии и т. д.), которые рассылают материалы рецензентам. После получения отзыва от рецензентов руководитель секции дает заключение о возможности включения наблюдения в базу, а при необходимости отправляет его на доработку авторам. Окончательное решение о принятии или отклонении наблюдения принимает научный руководитель всего проекта EURORAD, являющийся одновременно редактором журнала "Европейская Радиология". В итоге случаи, принятые для помещения в базу EURORAD, приравниваются к публикации в самом журнале и несут действительно точную информацию.

Полной противоположностью такой строгой многоступенчатой системы рецензирования является помещение наблюдений в базу изображений по произвольному желанию самого автора, что, понятно, не может гарантировать полную достоверность информации. Посередине между этими двумя крайними вариантами находится рецензирование внутри медицинского учреждения. Для такого авторитетного учреждения как Институт онкологии и медицинской радиологии создание внутреннего редакционного совета с постоянными членами на наш взгляд оптимально, хотя в некоторых случаях может оказаться полезным привлечение дополнительных специалистов из института или других учреждений.

В любом случае, правилом хорошего тона является указание уровня рецензирования каждого случая, помещенного в базу изображений: не рецензируемый - изученный только автором; институциональное, или внутреннее, рецензирование; внешнее рецензирование - с участием специалистов из других учреждений.

5. Объединение изображений и текстовой части в удобной для просмотра на персональном компьютере форме.

Данный этап не требует специальных медицинских знаний и может быть выполнен любым человеком со знанием компьютера. Важными при этом являются разработка структуры и дизайна базы изображений, удобство навигации по ней (развитая система пользовательских меню), включая функции поиска по органному и нозологическому принципу.

Говоря о формах представления баз изображений для просмотра, можно выделить две основные - презентации Power Point и Html-документ. В первом случае формируется набор компьютерных слайдов. Пользователь может просмотреть их лишь в той последовательности, в которой их расположил создатель презентации. Такая форма подачи материала наиболее удобна и чаще всего используется для выступления перед широкой аудиторией (чтение лекций, доклад материалов научных исследований на конференциях и т. д.). В случае Html-документа создается меню, дающее больше свободы для навигации по базе изображений, появляется возможность поиска по ключевым словам. Так построены большинство баз изображений в Интернет.

Что уже сделано?

Начиная с 2001 года в НИИ онкологии и медицинской радиологии Голуб Г. Д. (отделение лучевой диагностики) и Дежурной С. Ф. (отделение АСУ) ведется работа по созданию электронной базы изображений при патологических состояниях костей в форме презентаций Power Point. Примером Белорусской функционирующей общедоступной базы диагностических изображений в Интернет является База изображений журнала "Новости лучевой диагностики", созданная Хоружиком С. А. Она содержит более 250 изображений по всем методам лучевой диагностики от рентгенографии до магнитно-резонансной томографии и является одним из наиболее популярных разделов Интернет-сайта журнала. Число посещений базы составляет от 50 в день.

Таким образом, создание электронных баз изображений включает ряд последовательных этапов и требует тесного сотрудничества клиницистов и компьютерщиков. Планируется создание обучающих баз изображений по заболеваниям органов дыхания, молочной железы, расширение базы по заболеваниям костей с помещением их в Интернет. Данная работа лишь начинается и, безусловно, имеет большое практическое значение.