Постпроцессинг эхокардиографических сигналов в цифровом эхокардиографическом аппарате
Цифровое сохранение оригинальных данных исследования, т.е. перенос эхокардиографически зарегистрированных данных на компьютер, может происходить различным образом. Применительно к исследованию пациента поначалу кажется разумным просто сохранять отображаемые на экране аппарата изображения, чтобы впоследствии иметь возможность снова открыть их в максимально неизмененной форме. Этот принцип действительно используется сегодня большинством производителей аппаратуры, а также современным стандартом DICOM. Однако цифровое сохранение может в принципе совершаться и на других, происходящих внутри прибора и предшествующих экранной картинке стадиях обработки данных.
Спектр режимов эхокардиографического исследования включает различные техники создания и анализа изображений. Кроме первоначальных В- и М-режимов регистрации, а также цветного и традиционного однолучевого допплеровских исследований, сегодня имеется большое количество новых методик, таких как тканевой допплер, режим второй гармоники, энергетический допплер, методика кодированных импульсов, пульс-инвертированная методика и режим отслеживания пятна.
а) Пре- и постпроцессинг. В принципе все режимы обработки данных можно разделить на две группы: пре- и постпроцессинг (т.е. предварительная и последующая обработка сигнала). Препроцессинг включает в себя все характеристики, касающиеся испускаемого ультразвукового сигнала, например, амплитуду, длительность импульса и частотный спектр. Постпроцессинг в принципе начинается на поверхности датчика, когда воспринимается отраженный ультразвуковой сигнал и обратно преобразуется в электрические импульсы. На рисунке ниже схематично и обобщенно представлены стадии постпроцессинга.
б) Аналогово-цифровое преобразование. Аналогово-цифровое преобразование происходит в так называемом УЗ-лучевом преобразователе, который используется в большинстве современных ультразвуковых аппаратов для параллельной обработки импульсов или ультразвуковых сигналов со многих направлений, благодаря чему достигается более высокая плотность изображения или частота кадров, чем при традиционной двумерной секторной технологии. После лучевого преобразователя информация все еще находится в виде необработанного полноценного цифрового спектра отраженного ультразвука и обозначается из-за соответствующей частоты как радиочастотный (RF, radiofrequency) сигнал. (Некоторые авторы ограничивают применение понятия о радиочастотных данных только на исходный сигнал до оцифровки и любой обработки.)
Схематическое представление шагов постпроцессинга в цифровом эхокардиографическом аппарате.
От датчика до монитора количество фактической информации электронных данных неуклонно уменьшается на каждой стадии обработки.
в) Обработка сигнала. Собственно обработка сигнала редуцирует содержание сложных ультразвуковых спектров до нескольких отдельных компонентов, таких как амплитуда, средняя частота и ширина спектра. Потребность в цифровом пространстве для сохранения на этой стадии так называемого цифрового исходного сигнала особенно невелика, тогда как цифровой RF-спектр можно сохранить только в виде большого объема данных. Для дальнейшей обработки исходного сигнала до получения пространственно корректного эхокардиографического изображения сигнал должен пройти через скан-конвертер. Для этого процесса используется информация о характеристиках препроцессинга: направление излученных ультразвуковых импульсов, глубина проникновения и так далее.
На рисунке не изображены отдельно дальнейшие стадии сложной последующей обработки изображения, такие как спектральный анализ, цветная кодировка, усиление краев изображения. Но только после прохождения всех этих стадий можно сформировать изображение на мониторе через RGB-видеосигнал (RGB = red - green - blue).
г) Сохранение на различных стадиях постпроцессинга. Цифровое сохранение эхокардиографических данных в принципе может происходить на любой стадии постпроцессинга - от RF-сигнала до картинки на мониторе. Однако очевидно, что только изображение на мониторе содержит непосредственно понятную для пользователя информацию. Чтобы на внешнем компьютере на основании других, предшествующих стадий получить окончательную картинку, требуются части программного обеспечения данного прибора для генерирования понятного изображения. Принцип, согласно которому в цепочке обработки данных следует пытаться как можно дальше вернуться к исходно воспринятому сигналу вместо сохранения одной лишь мониторной картинки и затем иметь возможность проводить повторную или углубленную обработку сигнала, по крайней мере для научных целей, имеет некоторые преимущества, которых не будет при использовании только «фиксированного», сохраненного в цифровом формате конечного изображения.
Если сохранить в цифровом виде эхо-сигнал на одной из предыдущих ступеней, то мы сможем, например, из одного-единственного набора данных извлекать двумерные изображения в оттенках серого и одновременно информацию о допплеровском сигнале, а затем отображать их в виде различных серий кадров. Другими примерами прямого использования исходного сигнала с различными способами формирования изображения являются: возможность последующего изменения цветовой кодировки и шкалы оттенков серого, простое создание более контрастных изображений, получаемых методом вычитания, для измерения перфузии миокарда и сепаратное представление по каждой точке изображения (исходно зарегистрированного в режиме цветного двумерного допплеровского исследования) графиков скорости или других производных параметров во времени.
д) Особенности фирм-производителей. Однако в алгоритмах постпроцессинга заложены также специфические особенности фирм-производителей, в значительной степени обусловливающие качество самих эхокардиографических аппаратов. Поэтому по причинам коммерческой конкуренции ни сегодня, ни в будущем не следует рассчитывать на то, что будут созданы единые стандарты для обмена данных на стадии исходного сигнала. Напротив, производители и дальше будут использовать пространство внутри стандарта DICOM для сохранения исходных данных в своем проприетарном формате, чтобы предложить пользователю специфические упомянутые выше возможности обработки данных - конечно, только на рабочих станциях или эхокардиографических установках того же производителя.
