Передача информации из ультразвуковой медицинской диагностической установки ALOCA SSD650

Аннотация

Дипломный проект посвящен разработке системы передачи данных из ультразвуковой медицинской диагностической установки, а также получением диагностически адекватного изображения для дальнейшей диагностики, анализа и хранения. Обработка полученных изображений базируется на программном комплексе CTsoft.

Система предназначена для работы в отделениях ультразвуковой диагностики и не требует от пользователя дополнительных знаний по программированию и техническому обслуживанию персональных компьютеров. Она предоставляет пользователю удобный экранный интерфейс для получения и обработки высококачественных изображений, переданных из ультразвуковой медицинской диагностической установки, кроме того, она предусматривает возможность дальнейшей передачи полученных данных по компьютерной сети.

Система прошла опытную эксплуатацию в институте хирургии им А. В. Вишневского в рамках проекта «телемедицина». Отчетные материалы к дипломному проекту включают пояснительную записку, 3 приложения и графический материал.

Содержание

Введение 4

Обзор литературы 7

Разработки телемедицины в мире 7

Необходимость “телемедицины” в России 9

Задачи здравоохранения, решаемые с применением телемедицинских технологий 12

Формы применения телемедицинских технологий для решения задач здравоохранения 15

Приложения телемедицины в клинической практике 16

Требования к передаче телемединформации 17

Анализ возможности передачи медицинских данных существующими программно – аппаратными средствами 20

Подключение ультразвуковой медицинской диагностической установки ALOKA SSD - 650 23

Ультразвуковая диагностическая установка ALOKA SSD – 650 25

Общие характеристики устройства 25

Принцип построения выходного сигнала 27

Устройство согласования УЗИ с персональным компьютером первичной обработки данных 29

Основные характеристики HI*DEF Plus LF 31

Формат файла получаемого изображения 32

Персональный компьютер первичной обработки 35

Локальная вычислительная сеть 38

Особенности построения компьютерной сети для института хирургии им. А. В. Вишневского 38

Программное обеспечение и сетевое оборудование 43

Персональный компьютер консультанта 45

Использование фильтров 46

Фильтр сглаживания 48

Фильтр усредненного сглаживания 49

Фильтр подчеркивания контуров 50

Фильтр обработки полутонов 51

Последовательное использование фильтров 52

Заключение 54

Выводы и результаты: 55

Список литературы 56

Приложение 1 58

Формат информационного поля файла изображения 58

Приложение 2 63

Модуль формирования фильтров изображений (С++) 63

Приложение 3 95

Описание программы обработки изображений Ctsoft 95

Введение

Несмотря на сложность экономической ситуации, в стране быстро нарастает парк современной медицинской аппаратуры: ультразвуковые аппараты, компьютерные томографы, биохимические анализаторы и т.д. Однако, в силу неполного использования современных медицинских знаний, новые методики внедряются на местах крайне неэффективно. Как показывает опыт, уровень диагностики и лечения в центральных клиниках (а они сосредоточены главным образом в Москве) значительно превосходит уровень практического здравоохранения в стране, даже при том, что разница в уровне оснащения не велика. При этом в медицине объем знаний удваивается в 1,5 - 2 раза быстрее по сравнению с другими разделами науки. Таким образом, стратегически важной задачей становится организация принципиально нового взаимодействия работников практического здравоохранения с центральными научно-диагностическими учреждениями, так чтобы практическое здравоохранение в регионах могло бы оказывать высококвалифицированную помощь населению, используя имеющееся оборудование и интеллектуальный потенциал лучших клиник страны.

Экономическая ситуация в стране изменилась таким образом, что диагностическая помощь населению регионов со стороны центральных клиник становится практически недоступной, при том, что ресурсы ведущих медицинских центров вполне позволяют оказывать эту помощь. Затраты на приезд в Москву становятся сравнимыми, а подчас и превосходят саму стоимость диагностики и лечения. Как показывает статистика широкопрофильного медицинского центра (Института хирургии им. А.В. Вишневского РАМН) до 1995 года за диагностической помощью обращалось порядка 10-12 тыс. пациентов в год из различных регионов страны, сейчас это количество упало до 1 тыс., при этом Институт в год проводит обследования до 70 тыс. пациентов (москвичи) и в состоянии довести это число до 120-150 тыс.

Имеющиеся и активно развивающиеся в стране современные средства связи (спутниковая, оптоволоконная, радиорелейная) позволят объединить региональные и центральные лечебные учреждения в единую сеть и таким образом обеспечить “доставку интеллектуального потенциала лучших клиник страны в те места, где в нем экстренно нуждаются”.

Очень большие перспективы в этом плане сулит “телемедицина” - сочетание современных научных методов диагностики и лечения заболеваний с ускоренной обработкой и анализом клинико-физиологической и медико-социальной информации на базе электронно-вычислительной техники и средств связи в режиме теледоступа.

Выполнение перечисленных выше задач невозможно без технической базы, которая должна быть реализована в каждом медицинском учреждении, входящим в проект «телемедицина». Эта техническая база должна включать в себя парк персональных компьютеров, объединенных в единую сеть с централизованной базой данных, подключением к медицинским диагностическим установкам и иметь выход на внешние линии связи.

Вопросы рассматриваемые в рамках нашего дипломного проекта включают в себя решение следующих задач:

Ø разработка компьютерной сети для института хирургии им. Вишневского;

Ø подключение диагностического оборудования к этой сети;

Ø организация видеоконференций;

Ø разработка программного обеспечения для передачи данных с медицинских установок (УЗИ, томограф и т.п.).

В дипломном проекте рассмотрен вопрос подключения ультразвукового диагностического аппарата к сети и решение обеспечения качественной передачи данных по сети. С возможностью вывода на печать с использованием печатающих устройств общего назначения. А также анализ полученных данных.

Обзор литературы

Разработки телемедицины в мире

Первой страной, поставившей телемедицину на практические рельсы стала Норвегия, где имеется большое количество труднодоступных для традиционной медицинской помощь мест. Второй проект был осуществлен во Франции для моряков гражданского и военного флотов. А сегодня уже трудно назвать западно — европейскую и американскую страну, где бы не развивались телемедицинские проекты, причем особый размах нарастание сеансов «телемедицины» получило в США.[8]

Получают развитие и международные сети медицинских телекоммуникаций, направленных на разные цели: система “Satellife” для распространения медицинских знаний в развивающихся странах и подготовки кадров, “Planet Heres” — предложенная ВОЗ система глобальных научных телекоммуникаций, международной научной экспертизы и координации научных программ, другие системы и сети.

Толчком к развитию телемедицины стало и то, что быстрый прогресс современных методов исследования привел реально к социально неприятному следствию: отставанию уровня диагностики в учреждениях практического здравоохранения в регионах сколь угодно развитой страны от центральных исследовательских и клинических медицинских центров. И по мере бурного развития медицинской науки этот разрыв не сокращается, а увеличивается. Поэтому стратегически важной задачей во многих странах стала организация принципиально нового взаимодействия работников практического здравоохранения с центральными научно—диагностическими учреждениями, направленного на обеспечение эффективной, высококвалифицированной и эшелонированной медико — санитарной помощи.[5]

Необходимость “телемедицины” в России

Развитие телемедицины в России необходимо по ряду причин и, более чем в любой другой развитой стране, должно опираться на учет многолетних традиций эшелонированной медико–санитарной помощи, больших расстояний, трудностей оснащения всех медицинских учреждений современной диагностической и другой медицинской техникой.

1. Разрыв между уровнем диагностики в сети практического здравоохранения и в ведущих медицинских центрах России больше, чем в Германии, Франции или США. Десять лет назад это было связано с большой разницей в уровне оснащения, сегодня – с системным кризисом здравоохранения, резким сокращением финансирования, буквальным «отрывом» периферии от центра.

2. Социально–экономические изменения в стране сделали диагностическую и консультативную помощь населению регионов со стороны центральных клиник практически недоступной, притом что ресурсы ведущих медицинских центров вполне позволяют оказывать эту помощь. Затраты на приезд в Москву становятся сравнимыми, а подчас и превосходят саму стоимость диагностики и лечения. Социальное напряжение в регионах и их претензии к центру растут, способствуя и росту центробежных тенденций.

3. В случае, если заболевание попадает в разряд бюджетной или страховой медицины и обходится больному бесплатно, пациент обычно находится в региональной клинике 10–15 дней и в результате диагностики устанавливается, что ему могут помочь только в центре. Он направляется в центр, госпитализируется, и процесс диагностики повторяется в течение тех же 10 – 15 дней. Это неоправданное расходование ресурсов может быть предотвращено за счет дистанционного консилиума при унификации диагностических процедур на базе современной техники и полноценной передачи диагностической информации.

4. Между тем страна связывалась воедино разными способами, в т.ч. и эшелонированной системой медицинской помощи как в годы мира. так и войны. Это было основой военно – медицинской доктрины периода ВОВ, специализированной помощи в послевоенные годы. Эта психология воспринята народом. Сегодня эта доктрина разрушена, управленческая вертикаль разрушена. Но разрушена и методологическая вертикаль медицинской помощи, разрушено единство научного сообщества.[7]

Телемедицина позволяет компенсировать значительную часть потерь, но больше того, она компенсирует это не на прежнем, а на качественно новом уровне телекоммуникаций и неизмеримо больших возможностей быстрого получения , обработки, передачи и анализа больших массивов информации, что делает качественно новым и уровень диагностики болезней, изменяет связи центра и периферии без простого патронажа со стороны центра (в отношении науки).

Это скачок в новую информационную эпоху, причем вполне вероятно, что в России телемедицина даст даже больший эффект, чем за рубежом, именно в силу наших традиций и менталитета. При этом могут быть использованы традиционные преимущества системы здравоохранения, при которой звенья первичной медико–санитарной помощи (ПМСП) выдвигаются как можно ближе к населению, туда, где люди живут и работают, а специализированная и высококвалифицированная помощь оказывается в тех городах, где для организации такой помощи имеются финансовые и техническое возможности и где численность населения обеспечивает достаточное количество сложных клинических случаев заболеваний.

Это будет не простая компенсация прошлых функций, а перевод их на качественно новый технический и методологический уровень (равный переходу от писем и курьеров к современному телефону, телевидению и пр.).

Реализация проекта “Телемедицина” позволит повысить уровень медико–санитарной помощи населению, обеспечить ускоренный рост научно–практического потенциала медицинских учреждений регионов.[17]

Задачи здравоохранения, решаемые с применением телемедицинских технологий

Возможности использования телемедицины разнообразны и раскрываются по мере накопления опыта, они, несомненно, могут оказать значительное воздействие на решение всех функций системы здравоохранения: на развитие и координацию науки, профилактику заболеваний, экстренную и плановую помощь при заболеваниях, подготовку и усовершенствование кадров, маневрирование материально–техническими ресурсами, управление системой и повышение эффективности ее функционирования как в чрезвычайных ситуациях, так и при решении типовых задач в плановом порядке.[18]

В самом общем виде можно сказать, что здравоохранение нуждается в обработке больших массивов информации и телекоммуникациях для:

Ø Мониторинга и оценки состояния и динамики здоровья населения, в т.ч. наиболее угрожаемых групп и отдельных людей, а также факторов внешней природной и социальной Среды, влияющих на здоровье населения;

Ø Мониторинга состояния системы здравоохранения, ее резервов и готовности к решению текущих и экстренных проблем;

Ø Обеспечения эффективной первичной медико—санитарной помощи (ПМСП) для всех (в любое время, в удаленных и труднодоступных местах)

Ø Обеспечения высоквалифицированной немедленной медико—санитарной помощи (МСП) в экстренных ситуациях (повсеместно).

Ø Обеспечения плановой методологической поддержки региональным и местным органам и учреждениям здравоохранения со стороны центральных (федеральных и других) научно—исследовательских, клинических и организационных центров в решении сложных проблем диагностики, лечения и профилактики заболеваний.

Ø Подготовки и усовершенствования медицинских кадров.[13]

Станции глобальной связи

Локальный сервер клиники

Локальные рабочие станции

 

Формы применения телемедицинских технологий для решения задач здравоохранения

Ø Телеконференции (научные и научно—практические, методологические и др.)

Ø Телеконсилиумы (двух— и многосторонние)

Ø Консультации и организационная помощь при экстренных и чрезвычайных ситуациях (бедствия, аварии, травмы, эпидвспышки и др.)

Ø Дистанционный мониторинг больных (ЭКГ и пр.)

Ø Автоматизированные истории болезни (что особенно важно в страховой медицине). При необходимости может осуществляться передача содержащейся в них информации (при переезде пациента в другой город, при заочных консультациях и пр.), включая передачу неискаженных изображений (ЭКГ, рентгенограммы, УЗИ, лабораторные данные, др.)

Ø Теледоступ в научные Базы данных в центральных учреждениях России, стран СНГ и в зарубежных научных центрах.

Ø Взаимодействие с Международными сетями и системами телемедицины и телекоммуникаций (ВОЗ, НИЗ, др.). [12]

Приложения телемедицины в клинической практике

Требования к передаче телемединформации

Для решения большинства задач телемедицины необходим режим телеконференции, когда врачи в отдаленном медицинском учреждении и в центральном институте видят друг друга и пациента, могут разговаривать между собой. Однако этого недостаточно, поскольку основную информацию при сложных диагностических случаях врач получает в виде изображений внутренних органов или биопсий. Это — микроскопические, рентгеновские, ультразвуковые, радиоизотопные исследования и их более сложные и аналоги, как компьютерная томография, динамическая ангиография.

Поэтому системы телемедицины (СТМ) должны быть готовы к передаче (без потери качества) следующих видов информации: изображения, получаемые с диагностической аппаратуры, аналоговые сигналы, таблицы закодированной информации и/или свободный текст.[16]

Необходимы единые стандарты для объединения разнородных форматов изображений и создания единого цифрового набора для его дальнейшей пересылки. Существующие в Германии "Sienet", в США "PAКS" и другие еще не удовлетворительны по "интеллектуальной" наполненности , поэтому аналогичные подходы развиваются в России (в МГУ, ИКИ и др.) на уровне, заметно превосходящем упомянутые коммерческие системы.

Требования к аппаратуре для передачи и воспроизведения изображений высоки. При воспроизведении компьютерно—томографических, рентгеновских и ультразвуковых изображений необходимы не менее 256 градаций "серого" цвета. Высокой должна быть и скорость передачи изображений. Поэтому во избежание быстрого морального старения системы необходимо закладывать скорость передачи порядка 2,048 мБит/с.

Существенную часть информации о больном составляют аналоговые сигналы (ЭКГ, ЭЭГ, реограммы и др.), которые практически повсеместно эти кривые оцифровываются до введения в компьютер. Частотный диапазон всех физиологических сигналов не превышает 1 кГц, обычно у одного пациента регистрируется несколько (от 2 до 5) аналоговых кривых. Здесь будет требоваться разработка протоколов обмена информацией и стандартов на форматы передачи данных.

Таблицы закодированной информации не будут составлять большого объема и не потребуют скоростей выше, чем при передачи изображений. Основные трудозатраты потребуются на формализацию медицинских данных и унификацию протоколов обмена информацией. Иначе будут неизбежными разночтения (а в результате — повторение диагностики) при переходе пациента из одного лечебного учреждения в другое.

Передача свободных текстов не предъявляет особых требований к системе передачи информации, но избежать передачи свободных текстов не удастся, т.к. не вся медицинская информация может быть формализована и закодирована.[15]

Для эффективной диагностики заболеваний (особенно хирургических) на одного пациента требуется получение от 3 до 20 изображений разного характера. Так, например, для диагностики опухолей печени и поджелудочной железы требуются компьютерно—томографическое, ультразвуковое, ангиографическое исследования одновременно. Для диагностики сердечных и сосудистых заболеваний необходимы рентгеновские, магниторезонансные, ангиографические исследования.

Анализ возможности передачи медицинских данных существующими программно – аппаратными средствами

При организации передачи данных от медицинского диагностического оборудования возникает ряд технических проблем, связанных с высокими требованиями предъявляемыми к качеству передаваемой информации. Эти проблемы можно разделить на три основные группы:

1. Проблема получения диагностически адекватного изображения для дальнейшей диагностики, анализа и хранения.

2. Проблема сопряжения диагностического оборудования с системами передачи информации.

3. Проблема передачи полученной информации к «удаленным» пользователям.

Первая проблема связана в первую очередь с психологией восприятия специалистами – врачами результатов получаемых от медицинских диагностических установок, т.е. они чаще всего, не подготовлены к работе с альтернативными вариантами предоставления медицинской, такими как, например, изображение на мониторе персонального компьютера. В связи с этим информация, с которой предполагается работать на персональных компьютерах, должна быть предоставлена в «привычном» для специалистов виде. Кроме того, программа обработки информации, должна быть простой в использовании и интуитивно понятной, что позволит сократить время адаптации и обеспечить быструю возможность перехода к работе с новыми методами предоставления медицинских данных.

Вторая проблема связана с тем, что не существует единого стандарта формата предоставления и хранения медицинских данных. Фирмы – разработчики медицинского оборудования основываются на собственных стандартах, которые закрыты, зачастую несовместимы с аналогичными системами других фирм, и могут изменяться в последующих разработках и модификациях уже существующего оборудования. Попытки стандартизирования форматов хранения и отображения медицинских данных привели к появлению нескольких стандартов, наиболее известным из которых является DICOM3, но которые всеобщего распространения не получили. Исходя из всего выше сказанного, можно заключить, что каждая медицинская диагностическая установка требует индивидуального подхода для обеспечения возможности передачи информации.

Также существует ряд проблем возникающих при попытках обеспечения высокого качества передаваемой медицинской информации, связанных с тем, что современные программно – аппаратные средства не специализированы для передачи данных подобного рода. Это накладывает определенные требования к подбору оборудования для передачи информации из медицинской диагностической аппаратуры на персональные ЭВМ. Специализированных (стандартных) программных средств, предназначенных для обработки медицинской информации (изображений) на персональных ЭВМ на данный момент практически не существует. Использование программ общего назначения, для работы с медицинскими данными, практически невозможно. Это связано с тем, что требуется высокий уровень специальной подготовки специалистов – врачей, и требования, предъявляемые к персональным ЭВМ, для установки программ такого класса, неоправданно высоки, что практически невозможно из-за неоправданно высоких материальных и временных затрат.

Третья проблема связана с ограничениями, накладываемыми на передаваемую информацию, современными средствами связи. Медицинские данные (изображения, звук, видео) невозможно передавать в «реальном времени» по современным каналам связи, с тем качеством, которое требуется для удовлетворительной работы специалиста. Объемы информации требуют разработки специальных алгоритмов сжатия данных и выработки новых методик передачи информации.

Предлагаемые методы решения вышеперечисленных проблем описаны в настоящем дипломном проекте на базе подключения для передачи данных ультразвуковой диагностической установки ALOKA SSD – 650 к персональному компьютеру с последующей передачей данных по компьютерной сети.

Подключение ультразвуковой медицинской диагностической установки ALOKA SSD - 650

В связи с тем, что для осуществления удаленных консультаций необходимо качественная передача данных от медицинских установок к специалистам, к оборудованию захвата, передачи и отображения информации предъявляются определенные требования, которые будут рассмотрены ниже. Общая схема передачи изображения от ультразвуковой диагностической установки к врачу – консультанту представлена на рис 1.

рис. 1 Общая схема передачи изображения от УЗИ к врачу - консультанту.

Исходя из схемы, можно выделить основные рабочие блоки:

1. Ультразвуковая диагностическая установка.

2. Устройство согласования ультразвуковой диагностической установки с персональный компьютером первичной обработки данных.

3. Персональный компьютер для первичной обработки полученного изображения.

4. Устройства передачи данных по компьютерной сети.

5. Персональный компьютер конечного пользователя (консультанта).

Основными предпосылками для создания данной схемы послужило то, что захват изображения с медицинских установок (в данном дипломе – ультразвуковая диагностическая установка (в дальнейшем УЗИ)), осуществляется через frame grabber HI*DEF Plus LF фирмы IMAGRAPH. Который установлен в компьютере первичного пользователя подсоединен к видеовыходу УЗИ. Первичный пользователь, осуществляющий управление УЗИ, обеспечивает захват изображения с УЗИ и передачу его на персональный компьютер. Далее с персонального компьютера первичного пользователя осуществляется передача изображения по сети до конечного пользователя. В случае необходимости, через сеть может быть организована телеконференция между первичным и конечным пользователями. Предусматривается также передача изображения в базу данных локальной сети первичного пользователя с последующей дальнейшей пересылкой в базу данных сети конечного пользователя, если осуществляется консультация специалистов в различных медицинских учреждениях. Или в общую базу данных локальной сети одного медицинского учреждения, в том случае, когда первичный и конечный пользователь работают в рамках одного медицинского учреждения.

Далее будут рассмотрены отдельные блоки данной схемы.

Ультразвуковая диагностическая установка
ALOKA SSD – 650

Общие характеристики устройства

В данном дипломном проекте передача изображения осуществлялась с ультразвуковой диагностической установки ALOKA SSD – 650, имеющей следующие характеристики: