автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему: Система сбора, обработки и анализа данных радионуклидных исследований
Автореферат диссертации по теме "Система сбора, обработки и анализа данных радионуклидных исследований"
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ
СИСТЕМА СБОРА, ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ДАННЫХ РАДИОНУКЛИДНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ
Специальность 05-13-13 - Вычислительные машины,
комплексы, системы и сети Специальность 05-13-05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
На правах рукописи
ХЛАЙБЛ АБДАЛЛА АХМАД
Диссертацией является рукопись
Работа выполнена на кафедре "Электроника и вычислительная техника" в Киевском автомоОильно-дорожном институте.
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,
академик МАИ Карандаков Г. Е
Научные консультанты - доктор медицинских наук, профессор,
- кандидат технических наук Сажко Е А.
Официальные оппоненты - доктор технических наук
- кандидат технических наук Васильев Е Е
Ведущая организация - Научно-производственная корпорация
" Киевским институт автоматики"
Защита диссертации состоится "Ъ/" 1994г. в _ча-
сов на заседании специализированного совета Д. 016.61.01 в Институте проблем моделирования в энергетике HAH Украины по адресу: 252680, Киев-164, ул. Ген. Наумова, 15.
С диссертацией ¡ложно ознакомиться в библиотеке института проблем моделирования в энергетике HAH Украины.
Автореферат разослан " *тс-ач/<0: 1994г.
кандидат технических наук Э. П. Сёмагина
Актуальность работы. В настоящее время компьютеризированные системы управления и обработки информации широко внедряются во все существующие области человеческой деятельности. Разработка новых типов вычислительных машин, специализированых процессоров, персональных ЭВМ стали одним из самых интенсивно развивающихся направлений.
Ярким примером использования компьютерных систем при решении задач автоматизации сбора, обработки и анализа объективной информации, снимаемой с некоторой группы датчиков, является медицина
С учетом радиационного фактора, возникшего после аварии на Чернобыльской АЭС, особое место занимают задачи, возникающие в радиационной медицине в связи с автоматическим сбором, обработкой и анализом данных радионуклидных исследований, с целью диагностики онкозаболеваний.
Следует отметить, что радионуклидная диагностика является одним из наиболее информативных диагностических тестов. В связи с этим в радионуклидной диагностике актуальной, имеющей первостепенную важность является проблема автоматизации процессов сбора, обработки и анализа диагностической информации. Решение этих задач осуществляется, в основном, на базе програмно-аппаратных комплексов.
В настоящее время существуют единичные разработки систем автоматизации сбора, обработки и анализа радионуклидных исследований. Однако их применение на практике не всегда эффективно из-за не комплексного решения задачи, низкой объективизации исходных данных, а также отсутствия учета клинической специфи-
ки анализируемых данных. В связи с этим возникает практическая необходимость разработки новых систем автоматизации сбора,обработки и анализа данных радионуклидных исследований, лишенных вышеперечисленных недостатков. Это определяет актуальность работы.
Целью дисертационной работы является разработка , экспериментальная апробация и внедрение в клиническую практику ав-томатизированой системы сборз, обработки и анализа данных радионуклидных исследований (ССОАД).
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:
- рассмотрение существующих способов и систем сбора, обработки и анализа данных, в частности, радиационной информации;
- разработка структуры ССОАД;
- разработка и реализация устройства сопряжения, (датчики - ПЭВМ);
- построение алгоритмов функционирования системы сбора , обработки и анализа данных радионуклидных исследований;
- разработка алгоритмов и программ сбора, обработки и анализа данных радионуклидных исследований;
- компоновка и отладка аппаратных и программных модулей системы и системы в целом;
- клиническая апробация системы;
Методика исследования. . При выполнении работы использовались методы системного анализа проблемы, параллельного сбора информации, мащинной обработки и. анализа собраных данных, представления собраной информации в удобном для восприятия че-
ловеком виде и теории программирования.
Научная новизна. Проведено комплексное исследование широкого круга вопросов, связаных с автоматизацией сбора, анализа и обработки данных радионуклидной информации.
- разработана система ССОАД;
- предложен новый алгоритм сбора, обработки и анализа данных радионуклидных исследовании;
- разработан интерфейсный адаптер и блок усилителей-формирователей;
- разработан и реализован диалоговый интерфейс врач-ЭВМ;
- предложена структура объективизированных исходных данных при радионуклидных исследованиях;
- автоматизированы сбор ренографических данных и их обработка.
Практическая ценность. Разработанная система позволяет автоматизировать процедуру сбора, обработки и анализа информации, в том числе данных радионуклидных исследований; в последнем случае объективно оценить исходные данные и значительно повысить достоверность расчета клинических показателей; значительно увеличить пропускную способность лаборатории радионуклидной диагностики; повысить точность клинического заключения и эффективность радионуклидного метода.
При этом достигаются:
- повышение профессионального уровня участников исследования;
- внедрение эффективных методов лечения в процессе разработки новых медицинских технологий;
- приобретение практическими врачами навыков систематизации полученных данных;
Экспериментальная проверка разработанной системы, предложенных методов и алгоритмов показала их эффективность и практическую значимость. Полученные результаты могут быть использованы также при создании аналогичных систем в иной предметной области науки и техники.
Реализация результатов работы. Разработанная система ап-робиравана и внедрена на кафедре медицинской радиологии Киевского института усовершенствования врачей МЗ Украины, а также Киевской областной клинической больницей в радиологическом отделении.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуадались на семинаре " Проблемы автоматизации обработки и анализа динамических процессов" в институте кибернетики имени В. М. Глушкова академии наук Украины (Киев, 1991,1992г), Республиканской онкологической конференции "Эффективность советских методов диагностики и лечения злокачественных опухолей" (г.Хмельницкий, 1991г) и на 48 и 49 научных конференциях КАДИ (1992, 1993).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9-ти работах.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, 5-и разделов, приложения, заключения и списка литература Общий обьем работы 120 страниц. Библиография содержит 88 наименований.
Во введении обосновывается актуальность работы, цели и задачи исследования и пути их решения. Дана краткая характеристика работы.
В первой главе освещено современное состояние проблемы
разработки систем автоматизации сбора, обработки и анализа данных функциональных исследований в медицине.
Приведен обзор способов обработки радионуклидной информации, а именно, ручная обработка, машинная обработка с ручным, полуавтоматическим и автоматическим вводом информации. Приводится сопоставительный анализ упомянутых способов и отмечаются их достоинства и недостатки.
Ручной способ обработки радионуклидных диагностических кривых не только трудоемкий, но и требует значительных затрат времени. Кроме того, он имеет два существенных недостатка, связанных с появлением субъективных погрешностей при снятии значений амплитуд с исследуемой кривой и ограниченностью количества точек дискретизации кривой, хотя ручной способ не требует применения вычислительной техники.
Для ручной и машинной обработки с ручным вводом информации, база данных (БД) формируется самим исследователем, а ввод информации в базу данных осуществляется вручную оператором. Этап ввода информации всегда отнимает много времени и не застрахован от появления ошибок, внесенных оператором.
В машиной обработке с полуавтоматическим вводом информации польностью не исключается участие оператора и тем самым не исключаются в польной мере недостатки свойственные ручной и машинной обработке с ручным вводом информации.
В машиной обработке с автоматическим вводом информации отсутствует возжность проведения одновременного съема и обработки информации. Кроме того, не возможен параллельный съем информации для разных диагностических методов. При этом число показателей ренографических исследований весьма ограничен.
В результате анализа рассмотренных способов делается вы-
вод, что совершенствование подобных систем следует проводить в направлении повышения точности представления информации за счет исключения промежуточных преобразований, исключения субъективных (систематических) погрешностей за счет автоматизации процесса измерений и ввода собираемой информации в базу данных. Система должна обеспечивать учет динамики процессов в широком диапазоне временных интервалов, предусматривать параллельную обработку результатов по различным методикам и одновременное обследование многих пациентов. Система должна обеспечивать возможность стыковки программ обработки, написаных на разных языках.
Во второй главе рассматривается алгоритмы преобразования и обработки сигналов радионуклидных исследовании и структура предлагаемой системы сбора, обработки и анализа данных(ССОАД).
В основу разрабатываемой системы положен известный в медицине метод радионуклидной ренографии (РРГ).
Сущность метода РРГ заключается в том, что пациенту устанавливаются два детектора многоканального хронографа над областью левой и правой почки, третий - над областью сердца. Внутривенно вводится индикаторная активность 13и-гипурана и в течение 20 мин. регистрируются две ренограммы и кривая очищения крови. Эта информация регистрируется с помощью сигналов датчиков, представляющих собой последовательность импульсов, пропорциональных мощности излучения.
Следуя сущности метода РРГ дается сопостовительный анализ обработки и преобразования сигнала в предлагаемой системе, в известной СОД "Ириша" и при ручной обработке (рис. 1), выполняемой на комплексе приборов радионуклидных диагностических исследований.
установка параметров оператором
обработка кривых вручную
Блок-схемы алгоритма обработки и преобразования сигнала 1,2,3,4,5,6 - ручная обработка 1,2,3,4,7,8 - СОД "Ириша" 1,2,9,8 - ССОАД
Для предствления динамики сигнала в форме кривых, импульсная последовательность, полученная от датчиков излучения преобразуется с помощью счетчиков и цифро-аналоговых преобразователей в аналоговый сигнал. При этом оператор - лаборант должен вручную установить на шкалах прибора время интегрирования, уровень сигнала, компенсирующего фоновую засветку, и амплитуду аналогового сигнала.
Система обработки данных "Ириша" подключается к комплексу приборов радионуклидных диагностических исследований вместо регистратора. В ней аналоговый сигнал поступает непосредственно на аналого-цифровой преобразователь и далее в цифровой форме заносится в память ЭВМ и на цифропечатающее устройство. При этом алгоритм обработки, заложенный в ЭВМ, работает с сигналом, прошедшим двойное преобразование. Сначала импульсный сигнал преобразуется в аналоговый, после этого он усиливается и из него вычитается компенсирующий сигнал соответствующий фоновой засветке. Далее аналоговый сигнал интегрируется и фильтруется, а затем снова преобразуется в цифровую форму для введения в ЭВМ.
Так как СОД "Ириша" использует аналоговый сигнал, идущий ' на регистратор, то требуются те же ручные манипуляции для установки параметров предварительной обработки сигнала, что и в ручном способе.
Алгоритм преобразования и обработки сигнала предлагаемой ССОАД принципиально отличается от рассмотренного выше, так как в нем исключен аналоговый тракт обработки сигнала. Импульсный сигнал, получений от датчиков излучения, поступает на двенад-цатиканальный. адаптер ПЭВМ. Частота импульсов "по всем каналам регистрируется программой и отображает мощность излучения. Это
исключает двойное преобразование сигнала (импульс-аналог и аналог-цифра) и связаные с ним ошибки. Кроме того, функции обработки сигнала - установление времени интегрирования, вычитание фоновой составляющей, фильтрация сигнала, установка времени наблюдения и установка периодичности наблюдения, переданы программным средствам, что-позволяет полностью исключить рутинные действия оператора по установке параметров обработки и получить любую требуемую динамику процесса наблюдения.
Структурная схема ССОАД представлена на рис. 2. Она включает систему датчиков, блоки усилителей-формирователей, адаптер, содержащий буферные усилители, программируемый таймер, адресный селектор и приемо-передачик. Управление системой осуществляет ГОШ.
Система работает следующим образом.
Импульсы от датчиков радиоизлучения поступают через нормирующий усилитель на усилитель-формирователь. Таким образом, система использует непосредственно импульсы, соответствующие числу распадов в датчике без предварительной обработки.
В адаптере импульсы через буферные усилители.поступают на БИСы программируемых таймеров-счетчиков событий. Счетчики, согласно сигналам адресного селектора, загружаются исходной информацией от процессора ПЭВМ. В исходную информацию входят коды, определяющие режим работы счетчиков, и начальные загрузочные коды.
В моменты времени, определяемые программой, содержание счетчиков считывается через буферные шины приемо-передачика в процесссор ПЭВМ, где осуществляется его интерпретация.
В заключительной части главы дан краткий обзор программного обеспечения ССОАД.
РИС. 2 Структурная схема ССОАД 1. Датчик излучения. 2. УР-1 а Елок усилителей формирователей. 4. Буферные усилителей. 5. Программируемый таймер. 6. Адрессный селектор. 7. Буферные шины приемо-передатчика. 8. Шина ПЭВМ 9. ЦП. 10. Адаптер.
Программное обеспечение ССОАД реализовано в виде пакета прикладных программ (ППП), предназначенного для автоматизации сбора, обработки и анализа данных радиоизотопных динамических исследований.
В состав ППП системы обработки данных входит ряд программ, позволяющих совместно с аппаратными средствами обеспечить информационные связи датчик-ПЭВМ (драйвер), сбор данных и обработку радионуклидной ренографии.
Разработаная система является универсальной для сбора первичной информации, так как все параметры исследования задаются программным путем. В данной работе она адаптирована к медицинским исследованиям.
Глава 3 посвящена технической реализации ССОАД.
В ней описаны элементы принципиальной схемы, разработанного адаптера сопряжения гамма-приемной аппаратуры с персональной ЭВМ.
Адаптер сопряжения гамма-приемной аппратуры с персональной ЭВМ содержит программируемый таймер на основе БИС К580ЕИ53, схему сравнения 531SP1 (U3), дешифратор-1551D4 (U4), логические элементы ИЛИ (U5A), тригер шмитта (U6A), прйемо-передатчик 1533АР6 (U2), адресный селектор 1533LE4 (U1A) и 531SP1 (U3), разьем связи РС62 (Х2) с процессором и (XI) разь-емы выхода датчиков.
Адаптер является двенадцатиканальным устройством для ввода информации с регистраторов гамма-излучения в базу данных.
В отличие от существующих систем с аналоговой формой аппаратной предобработки исходной информации, данная система с дискретной аппаратной частью и развитой программной поддержкой обеспечивает гораздо большую гибкость и возможности для полно-
го и точного мониторинга.
Адаптер построен на базе интегральных трехканальных программируемых таймеров на основе БИС К580ВИ53, доступных для ввода и вывода информации от процессора ПЭВМ. Принцип работы канала заключается в слежении со стороны процессора за состоянием соответствующего таймера в з'аданые моменты времени. При этом на таймер поступает входная импульсная информация от датчиков. Интерпретация состояния таймера возлагается на программную поддержку.
Каждый и^ каналов представляется процессору двунаправленным портом и имеет адрес, находящийся в адресном пространстве портов ПЭВМ. Выбор канала осуществляется адресным селектором.
Для увеличения числа датчиков сьема первичной информации необходимо увеличить количество программируемых таймеров.
Для согласования выходов датчиков с входами платы адаптера служит согласующий блок усилителей-формирователей. Блок содержит мощные приемо-передачики 1533AP3 с триггерами Шмитта. На входах триггеров установлены RC-цепочки,предназначенные для отсечки постоянной составляющей выходного сигнала и согласования его уровня с входным диапазоном триггеров.
Блок позволяет в зависимости от сигналов датчиков формировать импульсы положительной и отрицательной полярности.
В главе 4 рассмотрено назначение, состав и работа программного обеспечения ССОАД. Общая структурная схема ее функционирования приведена на рис. 3.
Приведена программа обеспечения информационной связи с датчиками (драйвер Ram2.exe), которая предназначена для сбора информации, поступающей через параллельный порт от датчиков и дальнешей передачи ее в программу сбора данных.
OSvi стжпрш tun №щп111Ш11 ссоц
Драйвер представляет собой два программных блока.
. Первый блок реализует процесс сбора информации через параллельный порт. Этот блок замещает собой прерывание таймера.
Второй блок реалиаует набор функций управления драйвером от внешних программ.
Приведена программа сбора данных радионуклидных исследований и диалоговая работа с ней.
Программа позволяет легко описывать методику сбора информации, поступающей от датчиков; хранить дополнительную информацию о пациентах; собирать данные по описанной методике и передавать их в программу, реализующую методы обработки этих данных.
Программа реализована на язике СУБД "Clarion" с использованием библиотек, написанных на языке СИ. Программа работает на любом компьютере, совместимом с PC/AT.
Описана разработанная программа обработки данных радионуклидных исследований GRAPH. СРР.
Программа предназначена для визуализации данных, собранных с -помощью программы сбора данных, которые обрабатываются с помощью еле дующих математических зависимостей: Кривая очиш/эния крови
1. Т(мин) - время полуочищения крови. Рассчитывается как интервал времени, йа который высота прекардиадьной кривой уменьшиться вдвое (А/2) на отрезке, соответствующем медленной экспоненте (8 - 15 мин регистрации).
Практически экстраполируется кривая очищения крови, за 8 15 мин, при атом экспонента апроксимируется прямой линией и определяется временем снижения амплитуды в 2 раза
2. Показатель Винтера (X) ДВ - процент оставшейся в крови
радиоактивности на 1б-й минуте по отношению , к 4-й.
А4, А16 - амплитуда кривой очищения крови на 4 и 16-й мин;
3. Эффективный почечный плазмоток суммарный - ЭПП (мл/мин на 1,73 кв. м)
ЭПП »----х-----х----(мл/мин на 1,73 м в кв)
где: М - масса тела пациента в г, 17 х М
------- стандартизирований объем распределения 13и
гиппурана, составляющий 17 X от массы тела, Т - время полуочищения крови (мин), 1,73 - поверхность тела стандартного человека (м в кв), Бг - поверхность тела обследуемого. Бг - 71,84 х МО,425 х Р 0,725, ; Р - рост, м. Искомый ЭПП, вычисленный у данного обследуемого, нормируется к должному возрастному значению данного показателя -ДЭПП.
4. ДЭПП - должный эффективный почечный плазмоток, который вычисляется из уравнения V. Гаихе:
636 + 0,57 х возраст - 0,07 х возраст во второй степени
5. ЭПП/ДЭПП - соответствие искомого ЭПП должному.
Ренографические кривые, 1. Тм(мин) - время максимального накопления РФП почке я. Соответствует моменту времени, в который амплитуда реног-
рафической кривой (АВ) имеет максимальное значение.
2. Т 1/2 - время полувыведения РФП из почки (мин). Определяется как интервал времени от нулевого отсчета, за
который интервал ренограммы (АВ) уменьшается в 2 раза. В норме не более 11 мин.
3. Величина максимального накопления РФП почкой - максимальная амплитуда (АВ), т.е. максимальное количество отсчетов.
4. Относительный раздельный ЭПП (в X) - ОР ЭПП определяется для каждой почки по формуле:
А1 X 100 А2 X 100
где АГ - амплитуда на 2-й мин. ренограммы левой почки (или счет в импульсах количество отсчетов).
А2 - амплитуда на 2-й мин. ренограммы правой почки. Сумма А1 и А2 принимается за 100 %. В норме 45-55%.
5. Показатель асимметрии ЭПП - арифметическая разница ОРЭШ слева и справа. В норме не более 10 X.
6. Раздельный объемный ЭПП (мл/мин на 1,73 кв м) - ЭПП-лев, ЭППправ - вычисляется как соответствующий процент от суммарного ЭПП по формуле:
ЭПП х ОР ЭППлев ЭПП х ОР ЭПП прав
7. Степень отклонения ЭПП данной почки от нормы (в X от ДЭПП/2).
ЭППлев х 100 ЭППправ х 100
В основу алгоритма обработки результатов радионуклидной ренографии положены разработки кафедры радиационной медицины Киевского института усовершенствования врачей (В. А. Романенко, 1991).
Программа GRAPH, кроме того, осуществляет автоматическую или полуавтоматическую (с ручным определением интервала аппроксимации) обработку собранных данных. Результатом работы программы GRAPH является сводная таблица, включающая паспортные данные пациента (ФИО, возраст, пол, и т.п.) и клинические данные, параметры и результаты проведенного обследования и диагноз пациента (рис. 4).
Глава5 посвящена применению ССОАД в клинической практике.
В данной главе представлены материалы и практические результаты клинической апробации разработанной системы на примере радионуклидной ренограммы, применяемой для исследования почек. Реализация указаной системы осуществлена в радиологическом отделении Киевской обласной клинической больницы.
В процессе апробации ССОАД в клинике решались следующие задачи:
- проверка работоспособности модулей накопления и архивации исходной радионуклидной информации;
- выбор оптимальных параметров регистрации динамических кривых (ренограмм, гепатограмм и .т. д.);
- клиническая отладка модуля анализа кривых активность -время;
- отладка диалогового интерфейса врач-ЭВМ;
- клиническая интерпретация результатов.
Дана методика автоматизированой обработки данных радионуклидной ренографии с помощью ССОАД и методики исследования.