Interaktivní výukový program pro demonstraci principů tvorby tomografických obrazů

Tomografické zobrazovací metody hrají v nukleární medicíně velmi důležitou roli. Jejich zásadní výhoda spočívá v tom, že ve zrekonstruovaném obraze nedochází k sumaci distribuce radiofarmaka ve vrstvě zájmu s distribucí z vrstev nad a pod touto vrstvou (zde). Díky tomu se SPECT obrazy vyznačují 3 – 5 krát vyšším kontrastem obrazu. Na druhou stranu je k vytvoření tomografického obrazu nutné pořídit větší množství planárních obrazů, které však mají výrazně kratší dobu akvizice v porovnání s klasickou planární studií. Po rekonstrukci s použitím některé z rekonstrukčních metod vykazují tomografické obrazy až o jeden řád vyšší hladinu šumu v porovnání s planárními. Tato jejich nevýhoda je však kompenzována vyšším kontrastem zobrazení a proto jsou dnes tomografické metody standardní součástí nukleárně medicínských vyšetřovacích protokolů.

Tento výukový program si klade za cíl seznámit studenty interaktivní formou se základy vzniku tomografických obrazů v nukleární medicíně. U planárního zobrazování lze způsob vytvoření obrazu distribuce radiofarmaka v prvním přiblížení přirovnat ke vzniku digitální fotografie. Tomografické zobrazování však vyžaduje větší množství různých „operací“, které vedou k vzniku tomografického obrazu. Tyto operace v podobě filtrací projekcí, rekonstrukce obrazu (s případnou následnou filtrací) bývají pro posluchače hůře pochopitelné především kvůli absenci názorných pomůcek. Vytvořený výukový program má být přesně takovou pomůckou, která posluchačům umožní měnit vstupní parametry jednotlivých úloh a sledovat, jak se tyto změny projeví na výsledném tomografickém obraze.

Kromě toho jsou v souboru všech modelových úloh obsaženy i takové, jejichž cílem je simulovat negativní vlivy působící na proces pořizování projekcí a rekonstrukce tomografických obrazů.

I přes rozdílný způsob zobrazení a rozdílné vlastnosti tomografických obrazů v nukleární medicíně (SPECT, PET) a radiodiagnostice (CT) nabízejí některé úlohy i možnost srovnání obrazů z obou zmíněných modalit. Úlohy jsou vždy doplněny textem, který podrobně popisuje jejich náplň, vstupní parametry, princip funkce a důvody dosažení rozdílných výsledků při rozdílném nastavení.

Před samotným zkoušením různých simulovaných úloh je vhodné seznámit se s obsahem výukového programu Fyzikální základy zobrazování v nukleární medicíně (FRVŠ 2052/2007). Na tento výukový program bude i v textech jednotlivých úloh často odkazováno.

Interaktivní výukový program pro demonstraci principů tvorby tomografických obrazů byl vytvořen v rámci projektu č. 583/2013 Fondu rozvoje vysokých škol.

K sestavení simulací a doprovodného textu bylo použito literatury uvedené zde.

Proces pořízení tomografických obrazů v nukleární medicíně lze v zásadě rozdělit do dvou kroků – akvizice dat (planárních projekcí) a rekonstrukce tomografických řezů. Získané obrazy je možné dále upravovat, korigovat, analyzovat nebo vytvářet dodatečné způsoby zobrazení jako MIP, MPR – je možné provádět post-processing. Neméně důležitou součástí zobrazování v nukleární medicíně je kontrola kvalita. Výukový program proto obsahuje i simulace týkající se vybraných jevů v této oblasti.

Před prvním použitím interaktivních aplikací doporučujeme přečíst stručnou nápovědu k jejich obsluze.

Po zvládnutí základních principů tomografického zobrazování je možné vyzkoušet plnou verzi simulačního programu pro akvizici a rekonstrukci s otevřeným nastavením všech parametrů. Při použití výpočetně náročného nastavení (vysoký počet projekcí, iterací, subsetů) mohou výpočty trvat dlouhou dobu.

Interaktivní aplikace použité na těchto webových stránkách byly připraveny v programovém prostředí MATLAB (MathWorks, Natick, Massachusetts, USA) s použitím doplňků Image Processing Toolbox, MATLAB Compiler a MATLAB Builder JA (Compiler a Builder byly pořízeny z prostředků projektu FRVŠ 583/2013). Všechny sepsané programy byly kompilovány do programovacího jazyka Java.

Veškeré simulace jsou prováděny na počítači pořízeném z prostředků tohoto projektu. Ten je umístěn mimo síť Lékařské fakulty a k výpočtům využívá pouze knihovny MATLAB Compiler Runtime, který umožňuje spouštět zkompilované programy i bez použití MATLABu samotného. Požadavky uživatelů jsou zpracovány pomocí http java serveru Apache Tomcat a veškerý grafický výstup je přeposílán klientovi skrze stránky Lékařské fakulty.

Toto řešení umožňuje provádět i výpočetně náročné operace (s velkým počtem projekcí, iterací, subsetů apod.) i na počítačích bez potřebné výpočetní kapacity. Výukový program je tedy plně funkční i na mobilních telefonech, tabletech a jiných méně výkonných zařízeních. Zároveň poskytuje uživatelům možnost nastavení libovolné kombinace povolených parametrů i s tím rizikem, že výpočet může trvat delší dobu. Vzhledem k velkému množství nastavitelných parametrů není totiž možné používat předem vypočtené obrazy. Možných kombinací parametrů by bylo obrovské množství. 

Ovládání simulací 

U každé simulace je nejprve nutné navolit požadované nastavení a teprve potom provést simulaci stiskem tlačítka vykreslit. U změny rekonstrukčních metod (např. z FBP na OSEM) je nejprve nutné použít tlačítko vykreslit a teprve potom se aktivuje možnost změny počtu iterací a subsetů. 

Systém je z kapacitních důvodů nastaven na maximálně 10 najednou běžících výpočtů jednoho uživatele. Je-li toto množství překročeno, jsou další požadavky ignorovány a čekají na uvolnění výpočtové kapacity, nejdéle však 5 minut od posledního požadavku. Výpočty běží na pozadí, tzn. i po opuštění stránky nebo po stisknutí klávesy obnovit nebo stop v prohlížeči. Je proto možné, že častým obnovováním stránky se maximální výpočetní kapacita rychle zaplní.