Автор: Титова А.Ю.
Источник: Інформаційні управляючі системи та комп’ютерний моніторинг (ІУС та КМ — 2012) — 2012 / Матерiали III мiжнародної науково-технiчної конференцiї студентiв, аспiрантiв та молодих вчених. — Донецьк, ДонНТУ — 2012, Том 1, с. 544‒548.
Титова А.Ю. Специализированная компьютерная система обработки термомаммографических изображений. Рассмотрены современные методы обработки цифровых термографических изображений в диагностике рака молочной желез. Представлена модель молочной железы и локализации источника воспаления.
На сегодняшний день рак молочной железы (РМЖ) у женщин вышел на лидирующие позиции, и является вторым по смертности после рака легких. Поэтому диагностика заболеваний на ранней стадии позволяет значительно снизить смертность пациентов после лечения. Важную роль при этом играет средства и методы диагностики, определение их возможностей и пределов, поиск значимых элементов в маммологии при массовом скрининге [5]. Построение модели по данным термографии молочной железы (МЖ) и ее анализ дает дополнительный критерий для диагностирования заболевания без вредного воздействия на организм пациента. Программная реализация на основе обработки термомаммографических изображений позволяет решить задачу обнаружения, выделения и анализа, значимых для постановки диагноза объектов.
Объектом исследования является МЖ. В частности, нас интересуют заболевания МЖ и полученные в ходе предварительной диагностики термограммы такого вида, как на рис. 1, а ниже. Термограмма — это температурная карта участка или всего тела человека, отображаемая в виде изображения.
Рисунок 1 — а) Термограмма здоровых МЖ; б) Термограмма с РМЖ справа.
Термография базируется на измерении теплового инфракрасного излучения тела и дает истинную температуру только самого верхнего слоя кожи толщиной 2‒3 мм [4]. В медицинской практике апробированы четыре разновидности тепловой диагностики: жидкокристаллическая, дистанционная инфракрасная, контактная термография и радиотермометрия.
Анализ материалов о контактной термографии показал ее универсальность и большую эффективность по сравнению с другими видами дифференциальной диагностики. Системы на основе термограмм, представлены такими устройствами, как тепловизионный компьютерный комплекс ТВ-03К [1], Диаграф ДОТ-1, термограф контактный цифровой (ТКЦ_1), который изображен на рисунке 2. Эти системы имеют сходный принцип работы аппаратного комплекса и понятный пользовательский интерфейс. Самым успешным в цифровой обработке является ТКЦ_1, разработанный Донецким физико-техническим институтом им. А.А. Галкина НАН Украины совместно с Донецкой городской клинической больницей № 2 «Энергетик» для обследования МЖ, предстательной железы, костей и суставов.
Рисунок 2 — Внешний вид ТКЦ_1
Преимуществом СКС диагностики РМЖ на основе термографии является их пригодность для широкомасштабного скрининга, который предполагает способность таких устройств за минимальное время и с максимальной достоверностью получать температурные карты нужного участка тела.
При этом методы и устройства диагностики представляют собой абсолютно безопасные для здоровья, как пациентов, так и медицинского персонала — компактные, мобильные, простые и удобные в эксплуатации комплексы.
Они способны обеспечивать регистрацию малых температурных градиентов и распределений не только на коже, но и внутри организма [5], и в полной мере использовать преимущества дифференциальной диагностики (т.е. сравнения термограмм симметричных участков тела) при видимой экономичности.
Благодаря уникальной способности инфракрасной съемки визуализировать метаболические процессы в груди, при долгосрочных исследованиях наблюдались чрезвычайно ранние предупредительные сигналы (иногда даже за 10 лет до возможного обнаружения с помощью какого-либо иного метода). Именно эту задачу можно решать с помощью полученных аномальных инфракрасных снимков. К тому же, он является единственным наиболее важным маркером высокого риска рака МЖ в настоящее время и в обозримом будущем.
В области автоматизации обработки термограмм исследования направлены на решение следующих задач [4]:
Качественными характеристиками устройств диагностики РМЖ на основе термографии являются температурные показатели исследуемого участка и температурные карты в виде изображения. Эти характеристики получают первичную статистическую обработку. Можно выделить следующие математические методы моделирования и обработки:
Важнейшую роль в диагностике МЖ играют диагностические признаки. Остановимся подробнее на некоторых таких, как максимальное локальное превышение над средней температурой правой и левой МЖ и максимальная локальная асимметрия. Первый параметр вычисляется следующим образом: рассчитываются средние температуры локальных областей термограммы, ограниченных сканирующим пятном выбранного размера, и определяются превышения этих локальных средних над средней температурой железы; максимальное из этих превышений и является значением параметра, который заносится в соответствующую таблицу, пример которой представлен далее. Этот параметр рассчитывается для пяти размеров сканирующего пятна [3]: 
— максимальное локальное превышение; 
, где Tav — средняя температура МЖ, Tavl(i) — средняя температура i-ой локальной области. Для найденного максимального локального превышения определяются квадрант, в котором оно расположено, и расстояние от его центра до центра соска. Если включен режим отображения указателей аномальных зон, то на термограмме зона максимального локального превышения выделяется окружностью, как показано на рис. 1,б.
Второй признак вычисляется следующим образом: последовательным сканированием термограммы рассчитываются средние температуры симметричных локальных областей, ограниченных сканирующим пятном выбранного размера, и определяются разности этих средних. Из всех разностей выбирается наибольшая для каждого из доступных пяти размеров сканирующего пятна. Модули этих максимальных разностей выводятся в таблицу, в которой дополнительный столбец справа поясняет, в какой стороне расположен локальный очаг гипертермии [3]: 
— максимальная локальная асимметрия, где i — позиция текущей области; j — позиция симметричной в другой МЖ.
Ниже табл. 1 представлены площади зон отклонения от средней температуры термограммы для каждой из желез, рассчитанные в процентах к полной площади термограммы соответствующей МЖ.
| Параметр | Значение, С | S сканирующего пятна, см2 | Квадрант | Расстояние от соска, см | ||||||||||||||||||||||||||
| Макс. локальное превышение над средней температурой правой МЖ |
|
|
|
| ||||||||||||||||||||||||||
| Макс. локальное превышение над средней температурой левой МЖ |
|
|
|
| ||||||||||||||||||||||||||
| Макс. локальная асимметрия |
|
|
|
|
|
| Зоны отклонения от средней температуры термограммы: | Правая МЖ | Левая МЖ |
| Площадь зоны (менее -3.0 С) в процентах от площади термограммы МЖ | 4.7% | 0.0% |
| .................... (-3.0…-2.0 С).................................... | 6.8% | 0.0% |
| .................... (-2.0…-1.0 С).................................... | 14.0% | 2.6% |
| .................... (-1.0…0.0 С)..................................... | 19.5% | 50.1% |
| .................... (0.0…1.0 С)..................................... | 28.2% | 46.9% |
| .................... (1.0…2.0 С)..................................... | 26.7% | 0.4% |
| .................... (2.0…3.0 С)..................................... | 0.0% | 0.0% |
| ..................... (>3.0 С)........................................ | 0.1% | 0.0% |
Значимым для диагностики МЖ является построение 3D модели в виде полусферы МЖ, полученной из 2D термограммы. После получения такой модели становится возможным проведение из точек гипертермии и гипотермии, перпендикуляров длиной равной разнице температур в симметричной области второй МЖ, как показано на рис. 3.
Рисунок 3 — Перпендикуляры, длина которых в см эквивалентна С из таблицы
Источником тепла может быть опухоль или воспаление, которые имеют разные геометрические размеры и формы. Множество таких перпендикуляров визуально представляет их вид. При этом перпендикуляры опускаются из точек, которые соответствуют полученным значениям разности температур, т.е. с поверхности модели МЖ. Другие концы перпендикуляров соединены между собой и образуют представленную на рисунке фигуру. В случае РМЖ перпендикуляры должны быть направлены в одну область (очаг гипертермии или гипотермии), как видно на рис. 4. В случае мастита определенного направления не имеется, и фигура получается большого размера. На рис. 4 отображается предположительный вид модели МЖ, первый вариант в 2D представлении, второй — в виде объемного изображения. Экспериментально данный метод будет исследоваться на термограммах с заранее известным и проверенным другими средствами диагнозом. При положительном результате, предполагается углубленное изучение зависимости направления перпендикуляров от формы и биологической структуры тканей МЖ.
Рисунок 4 — Модель МЖ с очагом гипертермии
В процессе исследования рассмотрены методы вычисления диагностических признаков рака молочной железы — отклонений от нормы температуры и локальной асимметрии. Обусловлена необходимость для диагностики РМЖ построение объемной модели МЖ. Программная реализация и апробация в лечебном учреждении показала, что методы выделения областей с патологией на основе термографии являются эффективными, достаточно точными и могут с успехом использоваться в дифференциальной диагностике заболеваний молочной железы.