Компьютерный анализ изображений позитронно-эмиссионной томографии

- диагностика деменции

ПЭТ используется в диагностике различных видов деменций, включая сенильную деменцию и болезнь Альцгеймера. Для болезни Альцгеймера характерно снижения потребления глюкозы в височно-теменных отделах головного мозга.

- оценка двигательных расстройств

Болезнь Паркинсона, болезнь Гентингтона, синдром Туретта могут быть трудны для диагностики. Во многих случаях при этих заболеваниях отсутствуют изменения на изображениях КТ и МРТ. При ПЭТ с F-DOPA определяется изменения накопления препарата в допаминовых рецепторах: при болезни Паркинсона визуализируется снижение фиксации F- DOPA в проекции хвостатого ядра и скорлупы.

2.4 Достоинства и недостатки ПЭТ

Системы ПЭТ универсальны, они используют все типы позитронных излучателей. Их отличает 100% достоверность диагностических результатов, которая достигается использованием поправок на нормализацию, мертвое время счетчика, затухание, рассеяние и распад, а также качественной и количественной обработкой информации. Они просты в использовании, имеют стандартные протоколы и автоматизированный контроль качества.

ПЭТ сканеры позволяют параллельно собирать и обрабатывать данные, реконструировать изображения, анализировать результаты, что существенно повышает пропускную способность.[5]

Поскольку период полураспада радиоизотопов мал, лучевое облучение чрезвычайно мало и не затрагивает нормальные процессы тела. Это позволяет при необходимости проводить повторные исследования.

Изображения, получаемые в ПЭТ, чаще всего представлены в соответствии с цветной шкалой, что делает результаты исследования более наглядными для диагностики. Например, здоровая ткань использует глюкозу для пополнения энергии и накапливает часть радиоактивной глюкозы. Злокачественная ткань потребляет больше глюкозы, чем здоровая и на ПЭТ изображении будет более яркой, чем нормальная ткань.[22]

Конструкция современных ПЭТ сканеров позволяет проводить исследования не только головного мозга, но и внутренних органов, что важно для раннего обнаружения злокачественных изменений.

Одним из условий получения правильной картины распределения изотопа является отсутствие его перераспределения при проведении сканирования. В ряде случаев ПЭТ может дать ложные результаты, если химический баланс пациента нарушен. Например, у диабетиков причиной этого может послужить высокое содержание сахара или инсулина в крови.

Возможности использования ПЭТ ограничиваются дороговизной томографов и необходимостью размещения их вблизи циклотрона. Создание новых радиофармпрепаратов, имеющих период полураспада несколько часов, позволяет частично решить ее. Кроме того, радиоизотоп рубидия-82 (период полураспада 76 с) можно получить не используя циклотрон.

Ценность ПЭТ растет при совместном проведении с другими исследованиями (КТ, МРТ).[8]

3. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ТОМОГРАФИРОВАНИЯ

3.1 Основные определения и постановка задачи томографии

Обычно для восстановления трехмерной функции используют одномерные проекции ее двухмерных сечений при фиксированном , т.е. как бы восстанавливают послойно при разных двухмерные сечения объекта («томография» - описание сечений). [21]

В основном рассматриваемые алгоритмы излагаются на примере восстановления двухмерных объектов. Сделано это по нескольким причинам. В случае двухмерной задачи упрощаются система обозначений и математические выкладки. А для восстановления изображения во всем объеме трехмерный объект может быть аппроксимирован набором двухмерных сечений при условии, что они расположены достаточно густо, и, следовательно, трехмерная задача восстановления может быть сведена к последовательности двухмерных задач. В общем случае к ряду двухмерных задач, в принципе, может быть сведена любая N-мерная задача. Такая процедура оказывается более эффективной с точки зрения вычислений, так как при этом обычно требуются значительно меньший объем памяти и менее сложные вычисления, чем при прямом решении N-мерной задачи. Кроме того, существенно упрощается механическая часть всего устройства томографа.

Пусть двухмерное сечение исследуемого объекта описывается функцией плотности . За пределами сечения плотность предполагается равной нулю.

Рентгеновская трубка излучает пучок лучей в плоскости исследуемого сечения объекта. Рассмотрим случай, когда рентгеновский пучок имеет вид параллельных лучей. После прохождения рентгеновского пучка через сечение ослабленные пропорционально плотности объекта лучи воспринимаются детекторами. Система трубка - детекторы вращается вокруг исследуемого сечения. С системой трубка - детектор связана подвижная система координат, центр которой совпадает с центром системы, а оси повернуты относительно неподвижной системы на угол. Направление лучей совпадает с координатой u .[21]

1 - объект; 2 - источник излучения; 3 - приемник

Рисунок 20 - Расположение объекта в системе трубка - детектор в случае параллельных лучей

Лучи определяются их расстоянием от начала координат v и углом поворота относительно неподвижной системы координат . Любая точка функции может быть задана как в системе , так и в системе , при этом координаты связаны уравнениями преобразования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

(8)

и наоборот

(9)

(9)

Проекция, в общем случае, - это отображение N-мерной функции в (N-1)-мерную функцию, получаемое путем ее интегрирования в заданном направлении. В рассматриваемом двухмерном случае за направление интегрирования выбирается ось u, совпадающая с направлением лучей рентгеновского источника. Тогда проекция p функции будет определена как

(10)

или для подвижной системы координат при различных получим набор проекций:

(11)

где - угол, под которым получена проекция

Информация о проекциях снимается с детекторов. Исходным материалом для задачи восстановления является набор проекций , полученных под разными углами . Если бы мы располагали неограниченным количеством по-разному ориентированных проекций, то в принципе могли бы получить точное восстановление функции. Однако в любом практическом случае количество проекций ограничено. Тем не менее, при определенных допущениях восстановление можно выполнить и по конечному числу проекций.[22]

Задача восстановления, практически заключающаяся в решении интегрального уравнения, может быть сформулирована следующим образом: по конечному числу проекций , измеренных под разными углами и заданных в свою очередь дискретно, требуется восстановить значение функции . Количество проекций существенно влияет на точность восстанавливаемого изображения.

Все многочисленные вычислительные алгоритмы, применяемые в томографии, направлены на то, чтобы найти в некотором отношении оптимальную оценку решения в заданном классе искомых функций .

3.2 Восстановление сечений с использованием Фурье преобразований

Самый естественный и мощный способ решения задачи восстановления дает преобразование Фурье. Перейдем от функции к ее Фурье образу и соответственно от к Фурье образу (, - повернутые на угол координаты в Фурье-плоскости)

Одним из основных свойств преобразования Фурье является его линейность, из чего следует, что если поворачивается на угол , то соответствующее преобразование Фурье тоже поворачивается на угол .[16]

(12)

(12)

и наоборот

(13)

(13)

- подвижная система координат в Фурье плоскости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

(14)

(15)

(16)

Фурье-образ искомой функции в точках Фурье-плоскости, лежащих на прямой , есть одномерный Фурье-образ соответствующей проекции - вва это так называемая теорема о проекциях и сечениях:

т.е. так как , то

(17)

(18)

Таким образом, теорема позволяет вычислить Фурье образ искомой функции во всех точках Фурье плоскости , вычисляя Фурье образ проекции при разных , а затем по формуле обратного преобразования Фурье восстановить саму функцию. Можно, перейдя в полярные координаты, получить формулу эквивалентную. Используются при этом следующие соотношения:

(19)

(20)

элемент площади при переходе от декартовых координат к полярным

,тогда

(21)

Hа формуле (21) построен ряд конкретных вычислительных алгоритмов, в частности, метод обратной проекции.

3.3 Метод обратной проекции

Простейший вариант этого метода оценивает плотность в любой точке сечения посредством сложения лучевых сумм для всех лучей, проходящих через искомую точку. Рассмотрим пример, когда д для восстановления используются только три проекции, хотя для практических целей потребуется гораздо большее их число.[17]

view1,view2, view3 - проекции

Рисунок 21 - Проекции снятые с объекта (объект - белое пятно)



view1,view2, view3 - проекции

Рисунок 22 - Восстановление объекта (белого пятна) методом «обратной проекции»

Восстановление производится путём обратного проектирования каждой проекции через плоскость, т.е. величина сигнала, соответствующая данной лучевой сумме, прикладывается ко всем точкам, которые образуют этот луч. После того, как это сделано для всех проекций, получается приближённая аппроксимация исходного объекта. Так как в этом методе проекции как бы растягиваются обратно через восстанавливаемое сечение, метод назван обратной проекцией. Для каждой точки изображения восстановленная плотность является суммой всех лучевых проекций, которые проходят через эту точку. Поэтому метод обратной проекции иногда называется методом суммирования или линейной суперпозиции. Математическое описание метода обратной проекции может быть представлено:

если в принять , тогда[18]

(22)

Или при измерении конечного числа проекций

(23)

где суммирование производится по всем углам проекции . Аргумент

(24)

соответствует только тем лучам, которые проходят через точку , коэффициент представляет угловое расстояние между соседними проекциями, М - количество проекций. Можно показать, в чём состоит причина невысокой точности метода обратной проекции. Предположим, что восстанавливаемый объект состоит из одной точки. Тогда результат восстановления по проекциям методом суммирования будет представлять собой не точку, а многолучевую звезду, центр которой находится в восстанавливаемой точке.[24]



а - объект (1) и его проекции (2); б - обратное проецирование; ясно видно формирование фона в пространстве, окружающем точку

Рисунок 23 - Восстановление точечного объекта методом «обратной проекции»

Очевидно, что точка будет представлена наиболее ярко, но в то же время на окружающее пространство эта точка будет накладывать фон, пропорциональный 1/, где - расстояние от точки 1. Фон и является основным источником погрешностей, которые снижают достоинства этого метода. Метод суммирования был независимо открыт Б.К.Вайнштейном и Р.Гордоном.

3.4 Обратная проекция с фильтрацией свёрткой

Более точный результат по сравнению с методом обратной проекции, дает обратная проекция с фильтрацией сверткой.

Обратное проецирование с фильтрацией аналогично методу обратной проекции за исключением того, что профили до обратного проецирования модифицируются или фильтруются, т.е. в . Это позволяет вывести эффект затемнения, присущий методу обратной проекции. В идеальном случае восстановленное изображение совершенно точное, поскольку модификация профилей точно компенсирует ложный сигнал, создающий нерезкое изображение при обратном проецировании.[18]

Предположим, что есть Фурье-образ некоторой функции ,

(25)

тогда произведение на Фурье-образ проекции можно рассматривать как Фурье-образ свертки самой проекции и

(26)

Формула описывающая метод обратного проецирования с фильтрацией свёрткой при измерении конечного числа проекций будет:

(27)

где - результат свертки измерений проекции с некоторой функцией , называемой ядром свертки.

Как и в методе обратного проецирования, суммирование идёт по М - количеству проекций, а коэффициент представляет угловое расстояние между соседними проекциями.

Точное вычисление невозможно ввиду расходимости этого интеграла, но это и не нужно, т.к. дискретизация отсчетов на проекциях через интервалы автоматически ограничивает область задания максимальным значением . Ядро в пределах от до вычисляется:

(28)

Если положить , то .

, если четное,

, если нечетное.

Рисунок 24 - Функция ядра свёртки (по обеим осям относительные единицы)

Такое ядро впервые было исследовано А. Лакшминараянаном и Г.Рамачандраном и обычно называется их именами. Следует отметить, что выбор ядра существенно влияет на качество восстанавливаемого изображения. Поэтому выбор ядра является предметом тщательного исследования с учётом особенностей объекта, подлежащего восстановлению.[19]

Процедура восстановления функции по методу обратной проекции с фильтрацией сверткой следующая:

1. Найти функцию как интеграл свертки проекции с функцией ядра свертки .

2. Определить функцию в точках v.

3. Вычислить искомую функцию , используя уравнение ().

Удобство алгоритма обратной проекции с фильтрацией состоит в том, что вычислительный процесс восстановления может идти почти одновременно с регистрацией проекции: как только получена очередная проекция , осуществляется ее свертка с ядром и добавление данных в ячейки памяти, накапливающие результаты суммирования по формуле (28). Как только обработана последняя проекция, функция восстановлена.

3.5 Итерационные методы восстановления

Термин «итерационный» относится к методу последовательных приближений, при котором выбирается произвольное начальное изображение; для него рассчитываются проекции, а затем в изображение вводятся поправки для лучшего согласования этих проекций с измеренными проекциями. Итерации повторяются до тех пор, пока не будет получена удовлетворительная сходимость.

3.6 Алгебраический метод восстановления (ART) или получевая коррекция

Этот метод был независимо разработан Гордоном и др., который назвал его методом алгебраического восстановления (ART - Algebraic Reconstruction Technigues). Процедура восстановления следующая. В каждой итерации вычисляется сначала одна лучевая сумма при исходном значении плотности в ячейках . По ней и с учетом измеренной лучевой суммы определяется поправка, которая вводится во все точки, входящие в состав данного луча. Затем операция повторяется для второго луча, третьего и т.д. При этом поправки, введенные от предыдущей лучевой суммы, учитываются в каждом новом расчете. Эти операции продолжаются до тех пор, пока не будут обработаны все проекции, после чего итерация завершена. Если критерий получения решения не удовлетворён, то происходит переход к следующей итерации. [20]

Рассмотрим элементарный пример реконструкции двумерного объекта, когда сам объект предельно прост, алгоритмический “механизм” совершенно прозрачен, а привлечения ЭВМ вообще не требуется.

Возьмём в качестве такого объекта квадрат ABCD, разделённый на 9 равных клеток (ячеек). Числа от 1 до 9, разбросанные по клеткам, соответствуют плотности или какой-нибудь другой характеристике, находимой томографически. Пусть известны 4 проекции, определяемые направлениями сторон квадрата AB и AD и его диагоналей AC и BD. Если в каждой проекции взять по 3 луч-суммы, то в первых двух случаях вклад внесут все клетки, а в двух других лишь по 7 клеток из 9. Таким образом, мы исходим из 12 значений луч-сумм и ищем 9 структурных элементов объекта, т.е. решаем переопределённую задачу.



Рисунок 25 - Тест-объект из девяти элементов

Начнем с проекции, образованной лучами, параллельными стороне AB. Каждое значение луч-суммы разделим на число пересекаемых клеток и припишем этим клеткам найденную величину (в данном случае 5). Будем считать полученный результат первой итерацией. Для взятой проекции объект представляется совершенно однородным; если погрешность восстановления оценивать по формуле

(29)

где индекс `k' нумерует клетки, i обозначает номер итерации, - исходные значения , то .

Следующая проекция (лучи идут вдоль AD). Теперь для каждого луча следует скорректировать сумму чисел, получаемых после первой итерации, на известную луч-сумму данной проекции. Так, сумму в первом столбце следует, очевидно, уменьшить на 2 и вычесть из каждого числа по 2/3; в третьем столбце нужно, наоборот, добавить в каждую клетку по 2/3; во втором столбце изменений нет. Видно, что в вторая итерация фактически оказывается неинформативной: предыдущее однородное распределение лишь слегка деформируется, создавая небольшой градиент вдоль AB и совершенно не выявляя сложной структуры объекта. Погрешность восстановления даже несколько возрастает по сравнению с первой итерацией:.

Рисунок 26 - Различные стадии (A-F) восстановления тест-объекта

томография сканер проекция сечение

Третья Итерация (лучи идут параллельно диагонали AC) уже резко меняет дело, поскольку в значениях луч-сумм неоднородность объекта проявляется отчетливо. Принцип остается прежним, только соответствующие разности следует равномерно распределять по двум или трем клеткам в зависимости от того, какая луч-сумма принята в расчет;. Аналогичная ситуация имеет место и с четвертой итерацией, завершающей первый цикл процедуры; теперь объект уже напоминает исходный, .

3.7 Итерационный метод наименьших квадратов (ILST) или одновременная коррекция

В простейшем случае алгоритм этого метода (ILST- Iterative Least-Squares Technique) следующий. Все проекции вычисляются в начале итерации при исходном значении плотности ячеек . По расчетным проекциям определяются поправки для каждой ячейки . А затем коррекции вводятся одновременно во все ячейки. На этом итерация завершается. Таким образом в этом алгоритме не производится уточнение значения плотности в ячейке в течении итерации. Изменяется плотность в один раз за итерацию. Этот метод впервые применен Р.Брейсвеллом. Он же показал, что в таком варианте алгоритм приводит к перекоррекции, в результате чего итерации колеблются вокруг правильного решения.[13]

3.8 Преобразование Радона

Двумерное преобразование Радона.

В данном случае R(s,б) есть интеграл от f(x, y) вдоль прямой A.. Рассмотрение преобразования Радона удобно начать с простейшего случая функции двух переменных, к тому же, именно этот случай наиболее практически важен.

Пусть f(x, y) функция двух действительных переменных, определённая на всей плоскости и достаточно быстро убывающая на бесконечности (так, чтобы соответствующие несобственные интегралы сходились).



Рисунок 27 - Двумерное преобразование Радона

Тогда преобразованием Радона функции f(x,y) называется функция

(30)

Преобразование Радона имеет простой геометрический смысл -- это интеграл от функции вдоль прямой, перпендикулярной вектору и проходящей на расстоянии s (измеренного вдоль вектора , с соответствующим знаком) от начала координат.[21]

Связь преобразования Радона и преобразования Фурье. Формула обращения.

Рассмотрим двумерное преобразование Фурье от функции f(x,y)

(31)

Можно заметить, что показатель экспоненты в этом интеграле не изменяется, если мы двигаемся вдоль прямой перпендикулярной вектору , и изменяется наиболее быстро если мы движемся вдоль этого вектора. Поэтому удобно перейти к новым переменным. Обозначим , мы выберем новые переменные s = xcosб+ysinб, z = ? xsinб+ycosб. Сделав замену переменных в интеграле, получаем

т.е.

(32)

Таким образом, одномерное преобразование Фурье по переменной s от преобразования Радона функции f даёт нам двумерное преобразование Фурье от функции f. Поскольку двумерное преобразование Фурье достаточно хорошей функции обратимо, то обратимо и преобразование Радона.[21]

Формула обращения для двумерного преобразования Фурье, как известно, выглядит следующим образом

(33)

Для наших целей удобно переписать эту формулу в полярных координатах

(34)

что немедленно даёт формулу обращения преобразования Радона

 (35)

4.. МЕТОДИЧЕСКИЙ ТЕСТ ДЛЯ СТУДЕНТОВ

КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННОЙ ТОМОГРАФИИ

1. Доза радиации при позитронной эмиссионной томографии:

а) около 7 mSv; в) около 9 mSv;

б) около 8 mSv; г) около 6 mSv.

2. Период полураспада используемых радиоактивных веществ при ПЭТ:

а) очень мал (от 10 мин до 2 часов); в) мал (от 10мин до 15 мин);

б) очень мал (от 30 мин до 3 часов); г) мал (от 15 мин до 2 часов).

3. На сегодняшний день в ПЭТ в основном применяются позитрон-излучающие изотопы элементов второго периода периодической системы:

а) углерод-11 (TЅ= 20,4 мин.), в) кислород-15 (TЅ=2,03 мин.),

азот-13 (TЅ=9,96 мин.), фтор-18 (TЅ=109,8 мин).

кислород-15 (TЅ=2,03 мин.),

фтор-18 (TЅ=109,8 мин.).

б) углерод-11 (TЅ= 20,4 мин.), г) фтор-18 (TЅ=109,8 мин),

азот-13 (TЅ=9,96 мин.), азот-13 (TЅ=9,96 мин.).

кислород-15 (TЅ=2,03 мин.).

4. Развивающийся трехмерный визуализирующий диагностический и исследовательский метод ядерной медицины:

а) ПЭТ; в) МРТ;

б) КТ; г) УЗИ.

5. Метод функциональной визуализации, заключающийся во введении в организм радиоактивных изотопов и получении изображения путём определения испускаемого ими излучения:

а) Сцинтиграфия; в) Ангиопульмонография;

б) Ангиография; г) Миелография.

6. Процесс использования ПЭТ-изображений распределения радиоактивности для последующего кинетического моделирования с целью получения необходимой информации называется:

а) анализом изображения; в) обработка изображения;

б) сканированием изображения; г) все перечисленное.

7. Основы позитронно-эмиссионной томографии заложили работы:

а) Ворбурга, Соколова, Фелпса; в) Ворбурга, Фелпса;

б) Соколова, Фелпса; г) Соколова, Ворбурга.

8. Кинетическая методика с применением меченных радиоактивными изотопами веществ является основным и фундаментальным принципом, лежащим в основе:

а) ПЭТ и ауторадиографии; в) ауторадиографии и КТ;

б) КТ и ПЭТ; г) МРТ, КТ, ПЭТ.

9. Один из первых эффективных РЕТ-томографов был создан Mike Phelps, Ed Hoffman, Washington University для изучения кровотока и метаболизма у животных:

а) в 1973; в) в 1974;

б) в 1977; г) в 1979.

10. В РЕТ-анализе можно выделить стадии:

а) 1.получение радионуклидов в) 1. радиохимическая стадия

2. радиохимическая стадия 2. получение изображения

3. получение изображения 3. анализ полученных данных;

4. анализ полученных данных;

б) 1. Радиохимическая стадия г) 1. получение радионуклидов

2. Получение изображения 2. получение изображения

3. Анализ полученных данных; 3. радиохимическая стадия

4. анализ полученных данных.

11. Особые вещества, обладающие способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения, такого как, например, гамма-кванты:

а) Сцинтилляторы; в) Стимуляторы;

б) Аннигиляторы; г) Детекторы нейтринные.

12. На развитие технологии ПЭТ повлияли факторы:

а) 1. большинство метаболических процессов в теле происходят достаточно быстро, чтобы следить за ними с помощью короткоживущих радионуклидов;

2. несмотря на короткое время жизни изотопов, стала возможна быстрая радиоактивная маркировка сложных молекул;

3. проникающее излучение, возникающее при уничтожении позитронов, показало, что можно локализовать этих позитроны.

б) 1. большинство метаболических процессов в теле происходят достаточно быстро, чтобы следить за ними с помощью короткоживущих радионуклидов;

3. проникающее излучение, возникающее при уничтожении позитронов, показало, что можно локализовать этих позитроны.

в) 1. несмотря на короткое время жизни изотопов, стала возможна быстрая радиоактивная маркировка сложных молекул;

2.) проникающее излучение, возникающее при уничтожении позитронов, показало, что можно локализовать этих позитроны.

г) 1) большинство метаболических процессов в теле происходят достаточно быстро, чтобы следить за ними с помощью короткоживущих радионуклидов;

2) несмотря на короткое время жизни изотопов, стала возможна быстрая радиоактивная маркировка сложных молекул.

Система производства радиоизотопов состоит из:

а) трех основных частей:

- циклотрона (ускорителя частиц);

- биологического синтезатора, присоединяющего радиоизотопы к

биологическим молекулам;

- компьютера, контролирующего процесс;

б) двух основных частей:

- циклотрона (ускорителя частиц);

- биологического синтезатора, присоединяющего радиоизотопы к

биологическим молекулам;

в)двух основных частей:

- биологического синтезатора, присоединяющего радиоизотопы к

биологическим молекулам;

- компьютера, контролирующего процесс;

г) трех основных частей:

- циклотрона (ускорителя частиц);

-высоковольтного генератора;

- компьютера, контролирующего процесс.

13. Чаще всего используемый сцинтиллятор в ПЭТ:

а) Bi4Ge3O12; в) NaI;

б)BaF2; г) C18H14.

14. Процесс люминесценции может осуществляться если:

а)1. Если переходы из возбужденных энергетических состояний в основное разрешены, испускание света происходит в соответствии со средним временем жизни возбужденного состояния по обычным статистическим законам.

2. Если переход из возбужденного состояния в основное запрещен, то возникает метастабильное состояние, среднее время жизни которого может быть значительно больше времени жизни обычного возбужденного состояния.

б) Если переход из возбужденного состояния в основное запрещен, то возникает метастабильное состояние, среднее время жизни которого может быть значительно больше времени жизни обычного возбужденного состояния.

в) Если переходы из возбужденных энергетических состояний в основное разрешены, испускание света происходит в соответствии со средним временем жизни возбужденного состояния по обычным статистическим законам.

г) Если переходы из возбужденных энергетических состояний в основное разрешены, то возникает метастабильное состояние, среднее время жизни которого может быть значительно больше времени жизни обычного возбужденного состояния.

15. Сцинтиллирующие вещества делятся на :

а) кристаллофосфоры и в) инертные газы и инертные газы, органические кристаллы; и неорганические кристаллы;

б) органические кристаллы и г) кристаллофосфоры и неорганические кристаллы; инертные газы.

16. Комбинацией двух изобретений, представленных к Нобелевской премии - радиоактивного индикатора и принципов томографии, является методика отображения:

а) ПЭТ; в) КТ;

в) МРТ; г) ПЭТ и КТ.

17. Первый прототип ПЭТ сканера появился в:

а) 1952 году; в) 1977 году;

б) 1950году; г) 1961 году.

18. ПЭТ стал использоваться для динамических исследований метаболизма человека:

а) в 1980-х; в) в 1970-х;

б) в 1990-х; г) в настоящее время.

19. В 1977 году предложил измерять локальный уровень метаболического потребления глюкозы в мозгу крыс с помощью дезоксиглюкозы меченой радиоактивным изотопом углерода:

а) Соколов; в) Фелпс;

б) Ворбург; г) Каменом и Рубеном.

20. Визуализация процессов «in vivo» реализуется путем:

а) анализа кинетики метки и компьютерной томографии;

б) только анализом кинетики метки;

в) анализа компьютерной томографии ;

г) правильных ответов нет.

21. Измерение концентрации метки в ткани, необходимое для математической модели производится:

а) ПЭТ сканером; в) ПЭТ-микрокомпьютером;

б) ПЭТ датчиками; г) ПЭТ-коллиматор.

22. Геометрический смысл преобразования Радона:

а) это интеграл от функции вдоль прямой, перпендикулярной вектору и проходящей на расстоянии s (измеренного вдоль вектора , с соответствующим знаком) от начала координат;

б) это интеграл от функции вдоль прямой, параллельно вектору и проходящей на расстоянии s (измеренного вдоль вектора , с соответствующим знаком) от начала координат;

в) это интеграл от функции прямой, перпендикулярной вектору и проходящей на расстоянии s (измеренного вдоль вектора , с соответствующим знаком) от начала координат;

г) это интеграл от функции вдоль прямой, перпендикулярной вектору и проходящей на расстоянии s от начала координат.

23. Схема движения частиц в циклотроне:

Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка

Рисунок 28 - схема движения частиц в циклотроне

а)1-источник тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов);2-орбита ускоряемой частицы;3-ускоряющие электроды (дуанты);4-генератор ускоряющего поля;

б) 1-орбита ускоряемой частицы;2-ускоряющие электроды (дуанты);3-генератор ускоряющего поля; 4-источник тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов);

в) 1-источник тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов); 2-генератор ускоряющего поля; 3-ускоряющие электроды (дуанты); 4-орбита ускоряемой частицы;

г) 1-источник тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов);2-орбита ускоряемой частицы; 3-генератор ускоряющего поля; 4-ускоряющие электроды (дуанты).

24. Люминесценция-это:

а) нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения;

б) свечение тел, вызванное химическим воздействием или при протекании химической реакции;

в) способность живых организмов светиться, достигаемая самостоятельно или с помощью симбионтов;

г) результат излучательной рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике.

25. Позитроны - это:

а) античастица электрона;

б) стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества;

в) связанная квантовомеханическая система, состоящая из электрона и позитрона;

г) вещество, состоящее из античастиц.

26. Отношение энергии световой вспышки, к энергии, потерянной заряженной частицей в сцинтилляторе, зависящее от типа и качества сцинтиллятора, называется:

а) Конверсионная эффективность;

б) Спектр излучения;

в) Время высвечивания;

г) Фотоэлектронный умножитель.

27. Основными характеристиками сцинтилляторов являются:

а) Конверсионная эффективность, спектр излучения и время высвечивания;

б) спектр излучения и время высвечивания;

в) конверсионная эффективность и время высвечивания;

г) конверсионная эффективность и спектр излучения.

28. К неорганическим кристаллам относятся:

а) ZnS, Na;

б) антрацен, стильбен;

в) ZnS, Na, NaI;

г) антрацен, стильбен, селен.

29. Метод вычислительной томографии, в основе которого используется аппарат преобразования Фурье и преобразования Радона:

а) Аналитический метод;

б) Итерационный метод восстановления изображения;

в) Алгебраический метод восстановления (ART) или получевая коррекция;

г) Метод обратной проекции.

30. Основные методы ПЭТ:

а) 1.Кинетическое сканирование

2 .Распределение меток в головном мозге по времени

3. Распределение меток в сердечной мышце по времени

4.Анализ зон интереса;

б) 1.Кинетическое сканирование

2 .Распределение меток в головном мозге по времени

3. Распределение меток в сердечной мышце по времени;

в) 1.Кинетическое сканирование

2 .Распределение меток в головном мозге по времени

3.Анализ зон интереса;

г) 1 .Распределение меток в головном мозге по времени

2. Распределение меток в сердечной мышце по времени

3.Анализ зон интереса;

31. К какому методу сканирования относится измерение накопления метки по времени:

а) Кинетическое сканирование;

б) Анализ зон интереса;

в) Распределение меток в головном мозге по времени;

г) Распределение меток в сердечной мышце по времени.

32. Когда томограф регистрирует локализацию изотопа и вычисляет его концентрацию:

а) как только происходит аннигиляция;

б) после эмиссии двух гамма-лучей;

в) после того, как радионуклид поступает

в клетки и распределяется в них;

г) все варианты верны.

33. На рисунке изображен гентри ПЭТ-сканера. А, B,C-это:

Рисунок 29 - Гентри ПЭТ-сканера

а) А-цилиндрический источник для коррекции аттенюации;

В-септа; С-детекторные блоки;

б) А-септа; В-цилиндрический источник для коррекции аттенюации;

С-детекторные блоки;

в) А-детекторные блоки; В-септа; С-цилиндрический источник для коррекции аттенюации;

г) А-детекторные блоки; В-цилиндрический источник для коррекции аттенюации; С-септа.

34. Флуоресценция это-

а) Процесс люминесценции при котором выполняется условие : переходы из возбужденных энергетических состояний в основное разрешены, испускание света происходит в соответствии со средним временем жизни возбужденного состояния по обычным статистическим законам;

б) Способность живых организмов светиться, достигаемая самостоятельно или с помощью симбионтов;

в) Особый тип фотолюминесценции. В отличие от флуоресцентного, фосфоресцентное вещество излучает поглощённую энергию не сразу;

г) Явление возникновения вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, рождённых в жидкости мощной ультразвуковой волной.

35. Как называется процесс, при котором переход из возбужденного состояния в основное запрещен и возникает метастабильное состояние, среднее время жизни которого может быть значительно больше времени жизни обычного возбужденного состояния. В этом случае для испускания кванта света система должна перейти в более высокое энергетическое состояние, переход из которого в основное разрешен?

а) Фосфоресценция;

б) Люминесценция;

в) Флуоресценция;

г) Сонолюминесценция.

36. Метод вычислительной томографии, использующий аппроксимацию восстанавливаемого объекта:

а) Итерационный метод восстановления изображения;

б) Аналитический метод;

в) Метод обратной проекции;

г) Распределение меток в головном мозге по времени.

37. К Итерационным методам восстановления изображения относятся:

а) Алгебраический метод восстановления (ART), метод одновременного итерационного восстановления (SIRT) и итерационный метод наименьших квадратов (ILST);

б) Метод одновременного итерационного восстановления (SIRT) и итерационный метод наименьших квадратов (ILST);

в) Алгебраический метод восстановления (ART) и итерационный метод наименьших квадратов (ILST);

г) Метод одновременного итерационного восстановления (SIRT) и алгебраический метод восстановления (ART).

38. К Аналитическим методам относятся:

а) Восстановление сечений с использованием Фурье преобразований, двумерное преобразование Радона;

б) Восстановление сечений с использованием Фурье преобразований,

метод одновременного итерационного восстановления (SIRT);

в) Двумерное преобразование Радона; алгебраический метод восстановления (ART);

г) Восстановление сечений с использованием Фурье преобразований, двумерное преобразование Радона, алгебраический метод восстановления (ART).

39. Метод томографии, при котором восстановление производится путём обратного проектирования каждой проекции через плоскость, называется:

а) Метод обратной проекции;

б) Алгебраический метод восстановления;

в) Двумерное преобразование Радона;

г) Анализ зон интереса.

4.1 Технология Клиент-Сервер и Сервер-Word

В программе использовалась технология клиент-сервер для того, чтобы сделать работу возможной в компьютерных сетях.

Основной принцип технологии "клиент-сервер" заключается в разделении функций приложения на три группы:

· ввод и отображение данных (взаимодействие с пользователем);

· прикладные функции, характерные для данной предметной области;

· функции управления ресурсами (файловой системой, базой данных и т.д.)

Поэтому, в любом приложении выделяются следующие компоненты:

· компонент представления данных

· прикладной компонент

· компонент управления ресурсом

Связь между компонентами осуществляется по определенным правилам, которые называют "протокол взаимодействия".

Любая программа, компьютеризирующая выполнение той или иной прикладной задачи, должна обмениваться информацией с пользователем, осуществлять собственно обработку этой информации в рамках автоматизации того или иного бизнес-процесса, и, наконец, хранить данные используемые в программе, на том или ином постоянном носителе.

Для локальных приложений, полностью работающих на ПЭВМ (например, Word или Excel), все эти компоненты собраны вместе и не могут быть распределены между различными компьютеры. Такая программа является монолитной и использует для выполнения ресурсы только того компьютера, на котором выполняется.

В файл-серверных приложениях часть компоненты хранения переносится на файловый сервер, однако, все манипуляции со структурами данных выполняются на клиентской машине, и код пользовательской программы тоже работает только на ней.

Критерием, позволяющим отнести прикладную программы к архитектуре клиент-сервер является то, что хотя бы один из трех ее компонентов полностью выполняется на другом компьютере, и взаимодействие между компонентами на разных компьютерах осуществляется через ту или иную сетевую среду посредством передачи запросов на получение того или иного ресурса.

Поскольку архитектура клиент-сервер является частным случаем технологии клиент-сервер, в ней обязательно есть клиент и сервер. Соответственно, выделяют клиентскую и серверную стороны приложения. Клиентская сторона приложения функционирует на рабочем месте пользователя, в роли которого в подавляющем числе случаев выступает персональный компьютер. Серверная сторона функционирует на специализированном комплексе, включающем в себя мощные аппаратные средства, требуемый набор стандартного программного обеспечения, систему управления базами данных и собственно структуры данных.

Взаимодействие клиентской и серверной частей приложения осуществляется через сеть - локальную или глобальную. При этом с точки зрения клиента и сервера взаимодействие осуществляется прозрачно, соответственно сетевой компонент здесь включает в себя совокупность необходимого сетевого оборудования, набор программных технологий, обеспечивающих передачу данных между узлами сети, а также собственно протокол или протоколы для обмена запросами и результатами их выполнения.

Компонент визуализации прикладной задачи осуществляет ввод информации пользователем с помощью тех или иных средств, а также вывод информации на экран и печать. Компонент визуализации для архитектуры клиент-сервер всегда исполняется на рабочем месте пользователя (поскольку должен же он наблюдать какие-либо результаты работы программы).

Компонент прикладной логики решает собственно ту или иную задачу, связанную с обработкой данных в той или иной предметной области. Этот компонент может быть распределен между клиентской и серверной частью различным образом в зависимости от применяемой модели.

Компонент хранения базы данных осуществляет физические операции, связанные с хранением данных, чтением информации из БД и записью в нее. В архитектуре клиент-сервер этот компонент всегда выполняется на сервере.

С точки зрения количества составных частей клиент-серверные системы делятся на двухуровневые и трехуровневые. Двухуровневые системы состоят только из клиента и сервера. В трехуровневых же между пользовательским клиентом и сервером, осуществляющим хранение и обработку базы данных появляется третий, промежуточный слой, являющийся для пользователя сервером, а для системы управления базами данных - клиентом. Такая архитектура позволяет более гибко распределять функции системы и нагрузку между компонентами программно-аппаратного комплекса, а также может снизить требования к ресурсам рабочих мест пользователей. Необходимой платой за это является то, что подобные системы намного сложнее в разработке, внедрении и эксплуатации и требуют значительных затрат и высококвалифицированного персонала.

В последнее время также наблюдается тенденция ко все большему использованию модели распределенного приложения. Характерной чертой таких приложений является логическое разделение приложения на две и более частей, каждая из которых может выполняться на отдельном компьютере. Выделенные части приложения взаимодействуют друг с другом, обмениваясь сообщениями в заранее согласованном формате. В этом случае двухзвенная архитектура клиент-сервер становится трехзвенной, а к некоторых случаях, она может включать и больше звеньев.



Рисунок 30 - пример архитектуры клиент-сервер.

Технология Сервер-Word

С помощью методов сервер -Word после прохождения тестирования

Автоматически создается отчет в виде файла программы Microsoft Word в котором, находятся сведения о тестируемом, результаты тестирования , дата и время прохождения теста.

Наиболее используемыми в Windows для большинства пользователей являются MS Word и MS Excel. Естественно, результаты решения прикладных задач для них желательны в виде документов знакомых приложений.

Создание таких прикладных программ, где итоговый документ формируется не только в формате, но и с использованием возможностей MS Word или MS Excel, получило название разработки контроллеров автоматизации или управления серверами автоматизации. Здесь прикладная программа рассматривается как контроллер, а Word и Excel - как сервер.

Контроллеры автоматизации осуществляют управление серверами автоматизации при помощи вызовов их методов и с использованием переменных типа Variant. Этот тип данных позволяет работать со всеми объектами сервера автоматизации при помощи в основном четырех вызовов:

· OlePropertyGet;

· OlePropertySet;

· OleProcedure;

· OleFunction.

OlePropertyGet принимает строку в качестве параметра и возвращает данные, содержащиеся в указанном свойстве объекта.

OlePropertySet принимает несколько параметров, первый из которых - строка, указывающая на изменяемое свойство, а последующие параметры - данные, которые будут записаны в это свойство.

OleProcedure и OleFunction выполняют указанный метод объекта.

Объекты к которым обращается сервер имеют иерархическую структуру (Пример для Excel):

· Приложение (Excel.Application) содержащее одну или более книг (Workbooks);

· Книги, содерщащие одну или более страниц (Worksheets) или(и) диаграмм (Charts);

· Страницы, содержащие ячейки (Cells), строки, столбцы, рисунки, диаграммы.

Соответственно, внутри свойствами объектов Word могут также быть коллекции Paragraphs, Words, Tables.

4.2 Статистический анализ результатов теста среди учащихся

- При работе с программой «Тест» не требуется глубоких знаний в области компьютерных технологий и компьютерных языков.

-Решена проблема «списывания» при повторном тестировании, т.к. при каждом новом запуске программы блок вопросов сортируется.

- Использовались приемы технологии «клиент-сервер», для того чтобы сделать возможной работу программы в компьютерных сетях.

- Были введены возможности ограничения тестирования по времени (время тестирования задается администратором в свойствах программы).

- С помощью методов Сервер-Word после прохождения тестирования автоматически создается отчет в виде файла программы Microsoft Word в котором, находятся сведения о тестируемом, результаты тестируемого, дата и время прохождения теста.

- В случае применения программы в компьютерной сети файл-отчет находится на сервере и является общим для всех компьютеров, входящих в эту сеть. Такой файл-отчет значительно улучшит работу по обработке результатов тестирования. Вопросы и варианты ответов содержатся в обычных текстовых файлах (например в программе Блокнот).

4.3 Преимущества программы «Тест»

Рисунок 31 - рабочее окно программы.Ввод имени учащегося и потверждение



Рисунок 32 - Рабочее окно программы.Выбор правильного ответа

Рисунок 33 - Распределение правильных ответов, x- количество правильных ответов, у- частота прохождения теста

В исследовании теста приняли участие 11 студентов 3 курсов ФТФ. Результаты тестов 18 -1студент, 21-1студент,23 -1 студент, 24-2 студента,25-1 студент,28-1 студент, 30-1 студент, 31-1 студент, 33-2 студента, 34-1 студент, 37-1 студент, 39-1 студент, 40-1 студент. По данным результатам можно сделать вывод, что тема анализа обработки изображений позитронно-эмиссионной томографии известна студентам, но нуждается в более широком изучении. Закрепление знаний можно проверить до изучения темы и после.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты дипломной работы состоят в следующем:

1. проведен анализ литературы относящейся к ПЭТ;

2. изучена ПЭТ и ее принцип действия, основанный на регистрация двух противоположно направленных гамма-лучей одинаковых энергий, возникающих в результате аннигиляции. В организм пациента вводится РФП со слабым радиоактивным изотопом с коротким временем полураспада. Препарат распределяется по всему телу исследуемого человека и излучает позитроны, образуемые в результате распада введенного радионуклида. При их столкновении с электронами исследуемых органов, возникает процесс аннигиляции позитронов, который в свою очередь вызывает возникновение пары противоположно направленных гамма-квантов. Специальный ПЭТ-сканер регистрирует возникновение таких гамма-квантов и интерпретирует их в виде изображения. ;

3. рассмотрены методы томографирования, а именно восстановление сечений с использованием Фурье преобразований, метод обратной проекции, обратная проекция с фильтрацией свертка;

4. изучено влияние ПЭТ на здоровье человека. Поскольку период полураспада радиоизотопов мал, лучевое облучение чрезвычайно мало и не затрагивает нормальные процессы тела. Это позволяет при необходимости проводить повторные исследования;

5. составлен тест для учащихся, который позволяет исключить «списывание», ограничен временем и имеет возможность работы программы в компьютерных сетях.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Розенштраух Л. С. Невидимое стало зримым (успехи и проблемы лучевой диагностики)/Л. С. Розенштраух- М.: Знание, 1987.- 64 с.

2 Помозгов А. И. Томография грудной клетки /А. И. Помозгов, С. К. Терновой, Я. С. Бабий, Н. М. Лепихин - К.:Здоровья,1992.- 288 с.

3 Верещагин Н. В. Компьютерная томография мозга/ Верещагин Н.В., Брагина Л.К., Вавилов С.Б., Левина Г.Я.-М.:Медицина,1986.-256 с.

4 Коновалов А.Н. Компьютерная томография в нейрохирургической клинике/ Коновалов А.Н., Корниенко В.Н. - М.: Медицина,1988. - 346 с.

5 Физика визуализации изображений в медицине: В 2-х томах. Т.1:Пер. с англ./Под ред. С.Уэбба.-М.:Мир,1991.- 408 с.

6 Антонов А.О. Мед.техника/ А.О.Антонов, О.С.Лыткин С.А.-Москва, 1995.-79 с.

7 Беликова Т.П. Мед.техника/Беликова Т.П.,Лапшин В.В., Яшунская Н.И.-Москва,2003.-97 с.

8 Национальное общество по изучению болезней в кардиологии //Москва. - (Рус.). URL http://www.cardioline.ru

9 In vivo measurement of and field inhomogeneity maps in the human heart at 1.5 T. / S.B.Reeder, A.Z.Faranesh, J.L.Boxerman, E.R.McVeigh. // Magn. Reson. Med. 1998. - V.39. - P.988-998.

10 The intrinsic signal-to-noise ratio in human cardiac imaging at 1.5, 3, and 4 T. / H.Wen, T.J.Denison, R.W.Singerman, R.S.Balaban. // J. Magn. Reson. Imaging. 1997. - V.125. - P.65-71.

11 Reduction of Field of View in MRI Using a Surface-Spoiling Local Gradient Insert. / D.G.Wiesler, H.Wen, S.D.Wolff, R.S.Balaban. // J. Magn. Reson. Imaging. 1998. - V.8. - P.981-988.

12 Mansfield P. Multi-planar image formation using NMR spin echoes. / P.Mansfield. // J. Phys. C:Solid State Phys.- 1977. V.10. - P.L55.

13 Гайсин М.А. Позитрон - математический фантом реального электрона//Москва. - (Рус.).- URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8881.html

14 Гайсин М.А. Физическая природа формирований конфигураций фигур вращения, электронных оболочек атомов. Физическая природа магнитных полюсов. Физическая природа обменной энергии//Москва.-(Рус.).-URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8706.html

15 Гайсин М.А. Наглядное представление физической природы фотона и нейтрино. Доказательство отсутствия в природе такого явления, как слабое взаимодействие//Москва.-(Рус.).-URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9293.html

16 Куренков В.Г. Позитронная эмиссионная томография(физико-химические аспекты)/В. Г. Куренков , Н. П. Фадеев. - Мед.радиол. 1986,31 ,№ 10,6-76с.

17 Наркевич Б. Я. Физические основы ядерной медицины/ Б. Я. Наркевич, В. А. Костылев. - М.:АМФ-пресс,2001-60с.

18 Coleman R.E. Value of FDG PET scanning in management of lung cancer. //Lancet. 2002. - Vol. 359.-P. 1361-1362.

17 Хмелев A.B. Позитронная Эмиссионная Томография/А. В. Хмелев, С. В. Ширяев, В. А. Костылев. - М: АМФ-пресс,2004.-5с

19 Ширяев C.B. Ядерная медицина в диагностике и лечении онкологических заболеваний/ С. В. Ширяев. - Москва,- 2001.- 24с.

20 Куренков В. Г. Позитронная эмиссионная томография(физико-химические аспекты)/ В. Г. Куренков, Н. П. Фадеев. - Москва, -1996. - 76с.

21 Лукьянченко А.Б. Современные тенденции в лучевой диагностике немелкоклеточного рака легкого// Вестник Российского Онкологического Научного Центра им H.H. Блохина -№1/А. Б. Лукъянченко, Б. Е.Полоцкий, В. А.Гальченко, Р. Т. Алексеева .-Москва, - 2003.- 29 с.

22 Мерабишвили В.М. Статистика рака легкого (заболеваемость, смертность, выживаемость)// Практическая онкология- №3-2000.-36с.

23 F. Fahey, Data Acquisition in PET Imaging, Journal of Nuclear Medicine Technology 2002; p: 39-49

24 T. Lewellen, An introduction to PET instrumentation, Division of Nuclear Medicine, University of Washington Medical Center, 2004; p-32-34

25 T. Turkington, Introduction to PET Instrumentation, Journal of Nuclear Medicine Technology 2001; p: 1-8

Размещено на Allbest.ru