Добрый день, хабра-сообщество.
Хотелось бы продолжить рассмотрение аспектов реализации DICOM Viewer, и сегодня мы поговорим о функционале.
Итак, начнем.
Инструментарий в 2D
Мультипланарная реконструкция (МПР)
Мультипланарная реконструкция позволяет создавать изображения из исходной плоскости в аксиальную, корональную, сагиттальную или произвольную плоскости.Для того чтобы построить МПР, необходимо построить трехмерную 3D-модель и «разрезать» ее в необходимых плоскостях.
Как правило, MPR наилучшего качества получается при компьютерной томографии (КТ), поскольку КТ может создать 3D-модель с одинаковым разрешением во всех плоскостях.
Таким образом, выходной MPR получается с тем же разрешением, что и исходные изображения КТ.
Хотя есть и МРТ с хорошим разрешением.
Вот пример многоплоскостной реконструкции: 
Зеленый — осевая плоскость (слева вверху);
Красный — фронтальная плоскость (справа вверху);
Синий — сагиттальная плоскость (слева внизу);
Желтый – произвольная плоскость (справа внизу).
Положение нижнего правого изображения обозначено желтой линией на виде сбоку (вверху слева).
Это изображение, полученное путем «разрезания» 3D-модели наклонной плоскостью.
Для получения значения плотности в конкретной точке плоскости используется трилинейная интерполяция.
Мультипланарная реконструкция с использованием произвольной кривой (изогнутая MPR)
То же, что и МПР, только вместо произвольной плоскости можно взять кривую, как показано на рисунке.
Используется, например, в стоматологии для панорамных фотографий зубов.
Каждая точка кривой указывает начало трассы, а нормаль к кривой в этой точке соответствует направлению оси Y в 2D-виде для этой точки.
Ось X изображения соответствует самой кривой.
То есть в каждой точке двумерного изображения направление оси X является касательной к кривой в соответствующей точке кривой.
Проекция минимальной/средней/максимальной интенсивности (MIP)
Минимальные значения интенсивности указывают на мягкие ткани.Тогда как максимальные значения интенсивности соответствуют наиболее ярким участкам трехмерного объекта – это либо самые плотные ткани, либо органы, насыщенные контрастным веществом.
Минимальное/среднее/максимальное значение интенсивности принимается в диапазоне (как показано на рисунке пунктирными линиями).
Воздух примет минимальное значение во всей модели.
Алгоритм расчета MIP очень прост: выберите на 3D-модели плоскость – пусть это будет плоскость XY. Затем идем по оси Z, выбираем максимальное значение интенсивности в заданном диапазоне и отображаем его на 2D-плоскости: 
Изображение, полученное при проекции средней интенсивности, близко к обычному рентгеновскому снимку: 
Некоторые виды рентгенологических исследований не дают должного эффекта без применения контрастного вещества, так как не отражают определенные виды тканей и органов.
Это связано с тем, что в организме человека существуют ткани, плотность которых примерно одинакова.
Чтобы отличить такие ткани друг от друга, используют контрастное вещество, придающее крови большую интенсивность.
Контрастное вещество также используется для визуализации кровеносных сосудов во время ангиографии.
Режим DSA для ангиографии
Ангиография – метод, позволяющий визуализировать системы кровообращения (вены и сосуды) различных органов.Для этого используется контрастное вещество, которое вводится в обследуемый орган, и рентгеновский аппарат, создающий изображения во время введения контрастного вещества.
Таким образом, на выходе прибора — набор изображений с различной степенью визуализации потоков крови: 
Однако наряду с венами и сосудами на изображениях видны ткани других органов, например черепа.
Режим ДПО (Цифровая субтракционная ангиография) позволяет визуализировать только кровоток без каких-либо других тканей.
Как это работает? Делаем серийный снимок, на котором потоки крови еще не визуализировались контрастным веществом.
Как правило, это первое изображение серии, так называемая маска: 
Затем мы вычитаем это изображение из всех остальных изображений серии.
Получаем следующее изображение: 
На этом снимке хорошо виден кровоток и практически не видны другие ткани, что позволяет поставить более точный диагноз.
Инструментарий в 3D
Инструмент «Куб видимости» (обтравочный блок)
Инструмент «Обтравочный блок» позволяет увидеть кости и анатомические ткани в разрезе, а также показать внутренние органы изнутри.Инструмент реализован на уровне рендеринга, просто ограничивая область трассировки лучей.
В реализации область трассировки лучей ограничена плоскостями с нормалями, направленными в направлении отсечения.
То есть куб представлен шестью плоскостями.
Набор инструментов для редактирования объема — вырезание многоугольников
Инструмент аналогичен предыдущему и позволяет удалить объемный фрагмент под произвольным полигоном:
Под обрезкой следует понимать обнуление вокселей 3D-модели, попадающих в область полигона.
Также существует инструмент «Ножницы», позволяющий удалять части 3D-модели по принципу связности.
Реализация: при выборе объекта происходит циклический поиск соседних связанных вокселей до тех пор, пока не будут просмотрены все близлежащие воксели.
Все просмотренные вокселы затем удаляются.
Линейка в 3D
В 3D вы можете измерять органы под любым углом, что в 2D в некоторых случаях невозможно.
В 3D-режиме вы также можете использовать полигональную линейку: 
Инструментарий в 4D
Объединение нескольких томографических серий в 3D (Fusion PET-CT)
ПЭТ-КТ – относительно новая технология, являющаяся методом исследования ядерной медицины.Это мультимодальный метод томографии.
Четвертое измерение в данном случае — модальность (ПЭТ и КТ).
Предназначен в основном для обнаружения раковых опухолей.
КТ помогает получить анатомическое строение тела человека: 
а ПЭТ показывает конкретные области радиоактивной концентрации, что напрямую связано с интенсивностью кровоснабжения этой области.
ПЭТ позволяет получить картину биохимической активности путем обнаружения радиоактивных изотопов в организме человека.
Радиоактивное вещество накапливается в органах, насыщенных кровью.
Радиоактивное вещество затем подвергается бета-распаду позитрона.
Образовавшиеся позитроны впоследствии аннигилируют с электронами из окружающей ткани, что приводит к испусканию пар гамма-лучей, которые фиксируются устройством, а затем на основе полученной информации строится 3D-изображение.
Выбор радиоактивного изотопа определяет биологический процесс, который нужно отслеживать в ходе исследования.
Процессом может быть обмен веществ, транспорт веществ и т. д. Ход процесса, в свою очередь, является залогом правильной диагностики заболевания.
На изображении выше у пациента видна опухоль в области печени.
Но на основе ПЭТ сложно определить, в какой части тела находится участок с наибольшей концентрацией радиоактивного вещества.
При совмещении геометрии тела (КТ) и участков, насыщенных кровью с повышенной концентрацией радиоактивного вещества (ПЭТ), получаем: 
В качестве радиоактивных веществ для ПЭТ используются радиоактивные изотопы с различным периодом полураспада.
Фтор-18 (фтордезоксиглюкоза) используется для образования всех видов злокачественных опухолей, йод-124 — для диагностики рака щитовидной железы, галлий-68 — для выявления нейроэндокринных опухолей.
Функциональность Fusion образует новую серию, в которой объединены изображения обоих методов (ПЭТ и КТ).
В реализации изображения обеих модальностей смешиваются, а затем сортируются по оси Z (мы предполагаем, что X и Y — оси изображения).
На самом деле получается, что изображения в сериях чередуются (ПЭТ, КТ, ПЭТ, КТ.
).
Эта серия впоследствии используется для рендеринга 2D- и 3D-слияния.
В случае 2D-слияния изображения рисуются парами (ПЭТ-КТ) в порядке возрастания Z: 
В этом случае сначала рисовали КТ-изображение, затем ПЭТ-изображение.
3D Fusion реализован для видеокарты CUDA. Обе 3D-модели – ПЭТ и КТ – рисуются на видеокарте одновременно и получается настоящий мультимодальный синтез.
Fusion тоже работает на процессоре, но работает немного по-другому.
Дело в том, что на процессоре обе модели представлены в памяти как отдельные окто-деревья.
Поэтому при рендеринге необходимо трассировать два дерева и синхронизировать пропуск прозрачных вокселей.
А это существенно снизит скорость работы.
Поэтому было решено просто наложить результат рендеринга одной 3D-модели на другую.
4D КардиоКТ
Технология компьютерной томографии сердца используется для диагностики различных заболеваний сердца, включая ишемическую болезнь сердца, тромбоэмболию легочной артерии и другие заболевания.4D КТ сердца — это 3D во времени.
Те.
В результате получается небольшое видео, которое мы назовем кинопетлей, в котором каждый кадр будет представлять собой трехмерный объект. Исходные данные представляют собой набор диком-изображений сразу для всех кадров кинопетли.
Чтобы преобразовать набор изображений в кинопетлю, необходимо сначала сгруппировать исходные изображения в кадры, а затем создать 3D для каждого кадра.
Построение 3D-объекта на уровне кадра происходит так же, как и любой серии диком-изображений.
Мы используем эвристическую сортировку изображений для группировки по кадрам, используя положение изображения по оси Z (при условии, что X и Y — оси изображения).
Будем считать, что после группировки по кадрам каждый кадр дает одинаковое количество изображений.
Переключение кадров фактически сводится к переключению 3D-модели.
5D Fusion Pet — CardiacCT
5D Fusion Pet – CardiacCT – это 4D КТ сердца с добавлением слияния с ПЭТ в качестве пятого измерения.При реализации мы сначала создаем две кинопетли: с CardiacCT и с ПЭТ.
Затем мы делаем слияние соответствующих кадров кинопетлей, что дает нам отдельную серию.
Затем строим 3D полученной серии.
Это выглядит так:
Виртуальная эндоскопия
В качестве примера виртуальной эндоскопии рассмотрим виртуальную колоноскопию, поскольку это наиболее распространенный вид виртуальной эндоскопии.Виртуальная колоноскопия позволяет на основе данных КТ построить объемную реконструкцию брюшной полости и на основе этой трехмерной реконструкции поставить диагноз.
В средстве просмотра имеется инструмент пролета камеры с навигацией по MPR: 
что также позволяет автоматически следовать анатомической структуре.
В частности, он позволяет просматривать область кишечника в автоматическом режиме.
Вот как это выглядит: Полет камеры представляет собой серию последовательных движений по отделу кишечника.
Для каждого шага рассчитывается вектор движения камеры к следующему участку анатомической структуры.
Расчет производится на основе прозрачных вокселей следующей части анатомической структуры.
Фактически вычисляется некий средний воксель среди прозрачных.
Начальный вектор смещения задается вектором камеры.
Инструмент «Полет камеры» использует только перспективную проекцию.
Также имеется функционал автоматической сегментации кишечника, т.е.
функционал отделения кишечного отдела от остальной анатомии: 
Также возможна навигация по сегментированной 3D-модели (кнопка «Показать ориентацию камеры»), которая при нажатии мышкой на 3D-модели перемещает камеру в соответствующее положение в исходной анатомии.
Сегментация реализована с помощью волновой алгоритм .
Считается, что анатомия закрыта в том смысле, что она не соприкасается с другими органами и внешним пространством.
Система просмотра ЭKG (Waveform)
Отдельный модуль во просмотрщике реализует чтение данных из Waveform и их рисование.Форма волны ЭКГ DICOM — это специальный формат для хранения данных отведений электрокардиограммы, определенный стандартом DICOM. Данные электрокардиограммы состоят из двенадцати отведений – 3 стандартных, 3 усиленных и 6 грудных.
Данные от каждого отведения представляют собой последовательность измерений электрического напряжения на поверхности тела.
Чтобы нарисовать напряжение, вам необходимо знать вертикальный масштаб в мм/мВ и горизонтальный масштаб в мм/сек: 
В качестве вспомогательных атрибутов также рисуется сетка для удобства измерения расстояний и в левом верхнем углу рисуется шкала.
Варианты шкалы выбраны с учетом медицинской практики: по вертикали - 10 и 20 мм/мВ, по горизонтали - 25 и 50 мм/сек.
Также реализованы инструменты для измерения горизонтальных и вертикальных расстояний.
DICOM-Viewer как клиент DICOM
DICOM-Viewer, помимо всего прочего, является полноценным DICOM-клиентом.Возможен поиск PACS-сервера, получение с него данных и т. д. Функции DICOM-клиента реализованы с помощью открытой библиотеки DCMTK. Давайте рассмотрим типичный вариант использования клиента DICOM на примере средства просмотра.
Ищем этапы на удаленном PACS-сервере: 
При выборе этапа ниже отображаются серии для выбранного этапа и количество изображений в них.
Справа вверху указан PACS-сервер, на котором будет осуществляться поиск.
Поиск можно параметризовать, указав критерии поиска: PID, дату исследования, имя пациента и т.д. Поиск на клиенте реализуется командой C-FIND SCU с использованием библиотеки DCMTK, которая работает на одном из уровней: ИССЛЕДОВАНИЕ, СЕРИЯ и ИЗОБРАЖЕНИЕ.
Далее изображения выбранной серии можно загрузить с помощью команд C-GET-SCU и C-MOVE-SCU. Протокол DICOM обязывает стороны соединения, то есть клиента и сервера, заранее согласовать, какие типы данных они собираются передавать через это соединение.
Под типом данных понимается комбинация значений параметров SOPClassUID и TransferSyntax. SOPClassUID указывает тип операции, которую планируется выполнить через это соединение.
Наиболее часто используемые SOPClassUID: класс SOP проверки (пинг сервера), класс службы хранения (сохранение изображений), класс Printer Sop (печать на принтере DICOM), хранилище изображений CT (сохранение изображений CT), хранилище изображений MR (сохранение изображений MRI).
и другие.
TransferSyntax определяет формат двоичного файла.
Популярные синтаксисы передачи: явный с прямым порядком байтов, неявный с прямым порядком байтов, неиерархический JPEG без потерь (процессы 14).
То есть, чтобы передавать МРТ-изображения в формате Little Endian Implicit, необходимо добавить в соединение пару MR Image Storage — Little Endian Explicit. 
Загруженные изображения сохраняются в локальное хранилище и при повторном просмотре загружаются из него, что позволяет повысить производительность просмотра.
Сохраненные серии отмечаются желтым значком в левом верхнем углу первого изображения серии.
Также DicomViewer, как DICOM-клиент, может записывать диски с исследованиями в формате DICOMDIR. Формат DICOMDIR реализован как двоичный файл, содержащий относительные пути ко всем файлам DICOM, записываемым на диск.
Реализовано с помощью библиотеки DCMTK. При чтении диска читаются и затем загружаются пути ко всем файлам из DICOMDIR. Для добавления этапов и серий в DICOMDIR был разработан следующий интерфейс: 
Это все, что я хотел вам рассказать о функционале DicomViewer. Как всегда приветствуются отзывы квалифицированных специалистов.
Ссылка для просмотра: Средство просмотра DICOM x86 Средство просмотра DICOM x64 Примеры данных: МАНИКС - для общих примеров (MPR, 2D, 3D и т.д.) КОЛОНИКС — для виртуальной колоноскопии ФИВИКС — 4D КАРДИОКТ ЦЕРЕБРИКС — Слияние ПЭТ-КТ Теги: #dicom #Просмотрщик DICOM #воксельный рендеринг #медицина #Просмотр данных DICOM #программирование #C++ #Визуализация данных
-
Убойные Сетевые Технологии – В Копилку Intel
19 Oct, 24
