004.946
Обучающий комплекс для подготовки специалистов по разработке и эксплуатации магнитно-резонансных томографов
А. О. КАЗНАЧЕЕВА
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, С.-Петербург, Россия, е-таН: a_kazn@mail.ru
Рассмотрен учебно-методический комплекс для подготовки специалистов в области разработки, эксплуатации и ремонта томографических комплексов, показана необходимость внедрения инновационных образовательных технологий, описаны интерактивные и виртуальные обучающие средства.
Ключевые слова: медицинское оборудование, магнитно-резонансная томография, виртуальные лаборатории, обучение.
The methodical complex for specialists training in the field of development, operation and repair of tomographic systems has been developed. The necessity of innovation teaching technologies implementation was shown, and the interactive and virtual training programs for specialists operating in the tomography field are described.
Key words: medical equipment, MRI-tomography, virtual simulators, education.
Качество исследований в томографических методах диагностики напрямую связано с уровнем теоретической подготовки, квалификацией и техническим кругозором специалистов, отвечающих за настройку, эксплуатацию и ремонт аппаратуры. При этом подготовка специалистов должна включать не только получение знаний в области физики и информационных технологий, но и приобретение навыков работы с лабораторными установками, опыта решения прикладных задач, постоянное повышение квалификации.
В настоящее время одним из путей практической подготовки магистров по направлению «Томографические методы диагностики» является создание виртуальных лабораторий [1, 2] и интерактивных обучающих средств. Ниже рассмотрены обучающие средства для подготовки специалистов по разработке и обслуживанию магнитно-резонансных (МР) томографов.
Магнитно-резонансные томографические комплексы. Томографические комплексы относятся к высокотехнологичному оборудованию, основная область их использования — медицинская диагностика. Анализ применения томографов в Санкт-Петербурге показывает, что большинство из них составляют компьютерные томографы (53 %), доля МР-то-мографов — около 40 %, что объясняется высокой стоимостью последних. Однако МР-томографы обеспечивают более широкий спектр исследований, поэтому в последние годы их число резко возросло. С 1991 по 2006 гг. в городе было установлено 30 МР-томографов, при этом доля томографов отечественных фирм-производителей составляла 13 %. Один из таких разработчиков и изготовителей — НИИЭФА им. Ефремова, выпускавший сверхпроводящие системы с напряженностью магнитного поля 0,5 Тл.
За последние четыре года среднее число МР-томогра-фов ежегодно увеличивалось на 6 единиц при потребности в несколько раз выше. К середине 2009 г. общее количество МР-систем составляло 53, из них 14 введены в эксплуатацию за последний год. Одновременно демонтировано большин-
ство аппаратов, выпущенных до 1996 г., в частности, отечественных. Анализ рынка томографов по изготовителям (см. рисунок) показывает, что большинство систем произведены фирмами General Electric (37 %) и Siemens (40 %). За последний год установлены несколько сканеров производства фирмы Philips, не представленной ранее, а в 2008 г. введен в эксплуатацию первый MP-томограф с напряженностью поля 3 Тл, предназначенный для научных исследований.
Стоимость сервисного обслуживания томографов производителем часто оказывается слишком высокой для отечественного потребителя, поэтому на первое место выходит квалификация инженера клиники. Специалисты по обслуживанию подобной техники должны иметь представление об особенностях конструкции [3, 4] и режимах эксплуатации томографов, владеть методиками исследований, способами повышения качества измерений в условиях клиники, алгоритмами поиска причин неисправностей и их устранения. Подготовка специалистов должна включать инновационные образовательные технологии, позволяющие оценивать результаты измерений на установках различных типов. В области MP-томографии полезным является использование виртуальных средств, моделирующих работу аппаратуры, релаксационные процессы и наглядно показывающих зависимость качества изображения (соотношения сигнал—шум, контрастности, пространственного разрешения) от выбранной методики исследования.
Аппаратное обеспечение MP-томографов. Современные информационные технологии нашли широкое применение в области образования, где доступность информации, создание и использование специализированных баз данных, моделирование различных ситуаций позволяют улучшить подготовку специалистов. Однако не существовало обучающих или информационных систем для подготовки специалистов (инженеров) в области томографии, что связано как со сравнительно недавним появлением подобной аппаратуры, так
л/, %_
40
■ D 2006 30 Я |—■ ■ 2009
"111 11, г! J, П, ги
Siemens General Toshiba Philips Российские Другие Electric фирмы фирмы
Распределение установленных в Санкт-Петербурге МР-томогра-фов по производителям в 2006 и 2009 гг.
и с ее небольшим количеством вплоть до последнего времени.
Одним из основных этапов обучения специалистов любого направления является знакомство с уже существующим оборудованием и анализ его характеристик [5]. В МР-то-мографах аппаратное обеспечение (тип магнитной системы, характеристики градиентной и радиочастотной подсистем и др.) в значительной мере определяет точность измерений. Вместе с тем, важно оценить и эксплуатационные показатели, например, энергопотребление, расход охлаждающей жидкости, пропускную способность. При выборе и сравнении оборудования важно проводить комплексную оценку системы.
Автором разработана обучающая система, содержащая информацию о 107 моделях томографов, созданных за последние 20 лет, их технических характеристиках, конструктивных особенностях, программном обеспечении и наглядно показывающая особенности различных приборов. База данных содержит сведения о сканерах, разработанных такими лидерами в области томографии как Siemens, General Electric, Philips, Toshiba, Hitachi, Esaote, а также другими производителями. Для каждой модели приведены ее технические характеристики, область применения, рассмотрены достоинства и недостатки. Для повышения наглядности представлены фотографии оборудования, демонстрирующие особенности конструкции и модельного ряда, и диагностические изображения. Представленные томограммы помогают оценить степень влияния различных факторов на качество и точность получаемых данных, диагностические возможности оборудования. Структура системы позволяет проводить поиск установок по заданным критериям (фирме-изготовителю, году выпуска, области использования, типам конструкции, источнику магнитного поля и его напряженности и др.). Разработанная система может быть также полезна тем, кто занимается подбором и закупкой медицинской техники, поскольку дает возможность не только оценить качественные характеристики комплексов, но и провести сравнительный анализ их экономической эффективности.
Виртуальные лабораторные работы. Прогнозирование и оценка конечного результата исследования — важные составляющие качественной диагностики и зависят от ряда факторов. В МР-томографии повседневно решается задача выбора импульсной методики измерений [6], оказывающей существенное влияние на получаемый результат. Для отработки практических навыков в данной области разработан программный пакет «Импульсные методики в МР-томогра-
фии», который дает возможность моделировать различные условия измерений и оценивать степень их влияния на интенсивность регистрируемого сигнала или на контрастность тканей на изображении.
Виртуальная работа позволяет проводить теоретическое обучение и моделировать измерения в МР-томографии [7]. В теоретической части представлены основные сведения о методиках кодирования (спин-эхо, градиент-эхо, инверсия-восстановление), их диаграммы и описания, основные характеристики изображений. Практический блок содержит базу изображений, полученных на МР-томографах Signa Infinity и Excite HDx (General Electric) при различных сочетаниях параметров изучаемых импульсных методик. Для каждого выбранного сочетания времени считывания эхо-сигнала и времени повторения при помощи базы данных можно количественно оценить влияние методики измерения на интенсивность сигнала от различных сред (белое и серое вещество, вода и др.), контрастность тканей, соотношение сигнал—шум. Также пакет содержит блок контрольных вопросов. Интерфейс программы прост и удобен в использовании, а количество активных полей и база изображений могут быть расширены в зависимости от прикладных задач.
В ряде случаев для решения задач восстановления и улучшения изображений, распознавания образов, сжатия информации необходима дополнительная обработка изображений, ключевой момент которой — выявление структуры сигнала. Наиболее распространенным средством анализа периодических сигналов служит преобразование Фурье, часто применяемое при решении задач, возникающих в теории автоматического регулирования и управления, в теории фильтрации, но чувствительность спектра к искажениям затрудняет его использование при распознавании образов. Возможность анализа непериодических сигналов и представления сигнала в изменяющемся частотно-временном окне дает вейвлет-анализ. При этом разрешение и соотношение сигнал—шум определяются базисной функцией, а локализованный характер вейвлетов позволяет выборочно повышать разрешающую способность в выбранной области исследования [8, 9].
В большинстве методов коррекции изображений использованы алгоритмы линейной или нелинейной фильтрации. Методы линейной фильтрации основаны на дискретной свертке маски с изображением и дают возможность проводить операции сглаживания, повышения контрастности и подчеркивания контуров, поиска границ на изображении. Нелинейные фильтры позволяют достичь эффектов фокусировки и эрозии, убрать импульсный или гауссов белый шум. Алгоритмы обработки изображений зависят от вида данных и типа искажений (пространственные или яркостные искаже
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.