Biomedicinskt bildskapande och bildanalys

Föreläsning vid Medicinteknisk introduktionskurs

Ewert BengtssonProfessor i datoriserad bildanalys

Centrum för bildanalys

Föreläsningens tema• Bilder är av central betydelse för medicinsk

diagnostik, • En dramatisk utveckling av medicinskt

bildskapande har ägt rum de senaste decennierna

• Skall diskutera olika sätt att skapa och tolka medicinska bilder

• Litteratur: Kapitel 8 i ”Medicin och teknik”, samt sidorna 660-665, samt dessa PPT-bilder

Medicinskt bildskapande

• Med hjälp av olika delar av det elektromagnetiska spektrat– PET – hårda

gammastrålar, 511keV– Röntgenbilder, CT– Synligt ljus– Värmebilder, termografi– Radiovågor från kärnspinn,

MRT– Kroppens egen elektriska

aktivitet, EEG• Ljudvågor, ultraljud

Röntgen – teknikens uppfinnare

Tekniktrender

• Sedan drygt 100 år röntgenteknik med hjälp av analog elteknik och fotografisk teknik

• Sedan drygt 25 år med hjälp av digitalteknik

• Liksom på alla andra områden sker en snabb utveckling där den digitala tekniken tar över

Fluoroskopi kontra radiografi• Fluoroskopi –

genomlysning,– ger levande bild på

patienten, – kan ställa realtids

diagnos, – se rörliga förlopp, – styra vissa

undersökningar, – ger hög strålbelastning

också för läkaren

• Radiografi –röntgenfotografering• erhåller en frusen,

permanent stillbild, • kan tolka i lugn och ro, • ger medicinsk och

juridisk dokumentation

Fluoroskopi

• Fluoroscope, ursprungligen zinkkadmiumsulfidskärm, 7% verkningsgrad

• Elektrooptiska bildförstärkare med fluorescensskärm (>10.000 ggr förstärkning)

• Bildförstärkare med TV-kamera (rör eller CCD)• Digital registrering av bilden från TV-kameran

– Digital fluoroskopi– Digital subtraktionsangiografi

Modern digital fluoroscopi

Radiografi• Ursprungligen direkt filmexponering, ger högst

skärpa men låg verkningsgrad, används endast i specialfall, t.ex. tandröntgen

• Förstärkningsskärmar omvandlar röntgen till ljus, vinst 100-10000 ggr

• Kan använda sekundärbländare, raster för att minska spritt ljus och öka kontrast

• Filmen kan ersättas av bildplattor, ger större dynamiskt omfång och direkt möjlighet digitalisera och förbättra bilden

Klassisk röntgenprojektion, ger en tvådimensionell skuggbild

Konventionell kontra digital, högfrekvensförstärkt röntgenbild

Digital radiografi, fördelar:

• Större kontrastomfång ger mycket färre omtagningar pga felexponering

• Digital bildhantering ger färre förlorade filmer och förenklad arkivering

• Mer miljövänligt genom mindre film och kemikalieförbrukning

• Enklare konsultera andra experter via datornätverk

Computed Tomography (CT)

Skapar bilder av skivor genom kroppen

Datortomografens funktion

Tomografisk funktionsprincip

CT-funktionsprincip

• I ett stort antal projektionsstrålar genom kroppen mäts röntgentätheten, man får alltså många täthetsprofiler

• Dessa kan återprojiceras in i planet genom utnyttjande av Radons formel eller genom filtrerad återprojektion

• CT ger god kontrastupplösning och mycket god geometrisk noggrannhet

CT bildens egenskaper

• CT absolutmäter röntgentäthet enligt Hounsfields skala där – -1000 är luft– 0 är vatten– +1000 är ben

• Genom att sätta olika kontrastfönster ser man olika vävnadstyper optimalt

Magnetisk Resonans Tomografi (MRI)

Bygger på magnetiska pulssekvenser i ett starkt magnetfält

Olika pulssekvenser ger olika kontrast

Skivornas orientering kan väljas fritt

Årets Nobelpris i Fysiologi eller Medicin gäller MRT

• Årets Nobelpris gick till :– Paul C. Lauterbur– Peter Mansfield

• Det finns en tredje uppfinnare som är mycket upprörd, se http://www.fonar.com/nobel.htm– ”How can Raymond Damadian be bypassed for an

award on MRI? Dr Damadian has already beencredited with the discovery of MRI!”

– ”This year’s Nobel Prize in Medicine is a ShamefulWrong that must be Righted!”

MRT funktionsprincip• Atomkärnor med udda antal

protoner/neutroner har spinn

• Spinnvektorn kan riktas upp med ett starkt magnetiskt fält

• Kan sedan störas med radiosignal i resonans med atomspinnets egenfrekvens, Larmorfrekvensen

• När atomerna sedan återgår i jämvikt blir de små radiosändare som kan avlyssnas

• Med styrning av fältgradienter och pulssekvenser kan man styra vilka atomer som aktiveras respektive avlyssnas och därigenom kan man skapa bilder i 2D och 3D

Några grundläggande MR-begrepp

• MR-bilder kan viktas till att visa två tidskonstanter som ger olika kontrast:

• T1 är tidskonstanten som bestämmer hur snabbt spinnet MZ återgår till jämviktsläge, den kallas spin lattice relaxation time Mz = Mo ( 1 - e-t/T1 )

• T2 är tidskonstanten som anger återgången till jämvikt för den transversa magnetiseringen MXY, den kallas spin-spin relaxation time

MXY =MXYo( e-t/T2)

MRT bildens egenskaper

• Mycket god kontrastupplösning i mjukdelar• Stor flexibilitet med olika pulssekvenser

som ger olika kontrast • Ingen möjlighet till absolutbestämning av

signalnivåer• Dålig geometrisk noggrannhet• Såvitt känt helt oskadlig teknik• Fortfarande under stark utveckling

Nya öppnare MR designer

MRT tekniker• En mängd faktorer påverkar bildens egenskaper• Spolar för att uppfånga radiosignalerna anpassas

till anatomi och patologi– Ju närmare det avbildade organet ju bättre bild

• Olika pulssekvenser ger olika kontrast, upplösning, signalbrus och registreringstider

• Triggning till hjärtfrekvens, blodrörelser, andningkan öka detaljskärpan

• Kontrastmedel kan framhäva vissa strukturer• Med funktionell MR, fMRI kan aktivitet i t.ex.

hjärnan registreras

Att studera vidare om MR

• En bra beskrivning av MRI tekniken finns på http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri/inside.htm

• En högaktuell populär beskrivning om vad MR är finns på http://www.nobel.se/medicine/laureates/2003/press-sv.html

Positron Emission Tomograpy (PET)

PET visar koncentration och fördelning av positronstrålande spårämnen i patienten. Dessa bilder är funktionella, ej anatomiska, dvsde visar fysiologiska parametrar.

PET funktionsprincip

• Ett positronstrålande preparat införs i kroppen (måste tillverkas med accelerator)

• Positronerna kolliderar inom någon mm med en elektron och skapar två kollinjära 511keV gammakvanta

• Dessa detekteras av två detektorer i ringar runt personen och man räknar ut längs vilken linje sönderfallet skedde

• Återprojektion enligt tomografisk princip

PET bildens egenskaper• Ger funktionella bilder med ganska god

upplösning, ca 1 cm• Kan märka glukos med C11 och därmed se var

näring tas upp vilket visar t.ex. var i hjärnan arbete pågår

• Mycket specifika ämnen kan märkas varför tekniken har stor betydelse för läkemedelsforskning

• Behovet av en accelerator och ett snabbt kemiskt laboratorium som kan hantera radioaktiva preparat gör tekniken mycket dyr

Single Photon Emission ComputedTomography (SPECT)

SPECT liknar PET och visar koncentration och fördelning av ett radioaktivt spårämne i patienten. Bilderna är funktionella ej anatomiska.

SPECT funktionsprincip

• Ett radioaktivt preparat införs i kroppen• Med en matris av detektorer i en platta

över kroppen detekteras ungefär var sönderfallen sker

• Plattan kan placeras i olika riktningar vilket ger möjlighet till tomografisk rekonstruktion

• Alternativt kan en snedhålskollimatoranvändas och plattan roteras =ektomografi

SPECT-bildens egenskaper

• SPECT ger en funktionell bild med relativt låg upplösning, någon cm

• Bilderna är i grunden 3D• Preparaten kan erhållas ur långlivade

moderisotoper vilket är mycket billigare än accelerator

• Genom längre registreringar kan dynamiska förlopp studeras

Ultraljud• Bygger på ekolodningsprincipen, ljud med

hög frekvens, typiskt några MHz skickas in i kroppen och ekona studeras.

• Kan med en liten smidig utrustning ge dynamiska bilder i 2D och 3D

• Bilderna har vissa problem med koherent brus, speckle, och med icke-lineariteter i ljudets utbredning

Ultraljud, bäst på att visa mjukdelar

Ultraljud för fosterundersökningar

Ultraljud kan visa flöden bl.a. med Dopplerteknik

Digitalteknikens fördelar• Kan skapa bilder med större kontrastomfång med

mindre strålbelastning• Kan hantera bilderna rationellt, PACS• Kan skapa helt nya typer av bilder

– Snittbilder, datortomografi– Tredimensionella volymsbilder– Bilder på nya fysiologiska faktorer, t.ex.

syreförbrukning eller flöde• Kan visualisera bilderna på nya sätt, 3D• Kan extrahera kvantitativ information ur bilderna

Människan kontra datorn

• Människa är överlägsen när det gäller att se och tolka mönster

• Datorn är överlägsen när det gäller att – Lagra– Transportera– Presentera – Kvantitativt räkna och mäta

• Datorn kan också göra bilderna bättre för mänsklig visuell analys

PACS - Datorn som bildadministrativ hjälpmedel

• Stora mängder bilder registreras dagligen på ett moderns sjukhus, administration och lagring av dessa drar stora resurser

• Ett Picture Archiving and Communication System, PACS, kan rationalisera detta

• Kräver kraftfulla lagringsenheter och nätverk, handlar typiskt om flera TB som skall lagras och hanteras

• SECTRA-Imtec i Linköping är ett ledande företag på detta område

Digital bildförbättring

• När man väl har bilderna i digital form kan datorn hjälpa till att presentera dem optimalt

• För att åstadkomma bildförbättring filtrerar man bilderna – punktvis med – omgivningsfilter– eller i spektraldomänen

Punktvisa gråskaletransformer

Exempel på enkel gråskaletransform, kontrastinverterat mammogram

Kontrast-förändringmed icke-

linjär gråskale-transform

Bildsubtraktion bild med kontrastmedel – bild utan

Spatiell filtrering

Medelvärdesfiltrering

Linjära kvadratiska medelvärdesfilter med ökande storlek 3,5,9,15,35

Brusreducerande filtrering

3x3 medianfilterUrsprungsbild 3x3 medelvärdesfilter

Laplacefilter 3x3

Kantförstärkande filter

Bildfiltreringsexempela) Helkroppsbild,

b) Laplacefiltrerad,

c) Summa a och b

d) Sobelfiltrerad a,

e) 5x5 medel av e,

f) c*e

g) a+f

h) Gråskaletransf. g

Bildförbättring med Context Visions metod (adaptiv omgivningsfiltrering)

Context Vision filtrering av MR

Medicinsk bildanalys: CAD - Computer Aided Diagnosis

• Att filtrera bilden så att den verkligen blir signifikant bättre för analys är svårt, synsinnet klarar att anpassa sig till ganska dåliga bilder

• Att automatiskt hitta abnormiteter i bilder är ännu svårare, kräver avancerad bildanalys

• Tekniken är precis på väg att mogna på detta område

Typisk Mammografibild

Typisk Mammografibild

Typisk Mammografibild

Computer Aided Detection (CAD) för mammografi

• ”On April 17, 2002, clearance has been grantedby the U.S. Food and Drug Administration (FDA) for the use of R2’s proprietary mammographyCAD technology with the GE Senographe® full field digital mammography (FFDM) system”

• Ett första genombrott för datorstödd bildanalys vid en av de svåraste typerna av röntgenbildstolkning

3D MRI

En MR kamera ger en 3D bild. Klassisk röntgenbildshantering arbetar med 2D film. 3D bilder ger en hel trave 2D skivor att tolka tillsammans

VolymsrendreringEn fiktiv ljusstråle skickas genom varjebildpunkt, i bildplanet. Bildpunktens färgavgörs av ljusstrålens växelverkan med volymselementen i volymen i kombination med olika ljuskällor.

Volymsrendreringsmetoder• Enstaka modalitet

– Grånivågradientskuggning– Maximum intensitets projektion (MIP)– Integrerande projektion

• Multipla modaliteter– Kombinerad rendrering– Implicit segmentering

– Ytprojektion of kortical activitet

59

Grånivågradientskuggning• Man bestämmer en grånivåtröskel och strålar skickas in i

volymen till dess ett volymselement med ett värde högreän tröskeln påträffas.

• Intensitetsgradient vid dessa positioner kombineras med ljuskällorna för att rendrera bilden.

• Med skärningsplan kan delar av volymen tas bort för attgöra andra delar synliga.

MRI PET

Kan lägga på färg för olika organ vilket kan ge mycket detaljrika 3D visualiseringar

Maximum intensitets

projektion (MIP)• Längs varje stråle bestäms det maximala täthets/intensitets värdet

• Detta är särskilt användbart om man har små intensiva strukturer som i angiografi

• Kan dock bli rörigt med flera kärl som korsar och överlappar varandra

Med särskild bildbehandling (baserad på gråskalekonnektivitet) kan de olika kärlen

separeras

MIP projektioner av en kontrastförstärkt MRA volym.Ursprungliga MIP Artärerna Venerna

Blodkärlen kan också visualiseras som färgade solida strukturer

Bildsammansmältning Image Fusion

• Olika bildgivande modaliteter ger komplimentärinformation anatomi respektive fysiologi. Det finns därför behov av att sammansmälta data från olika undersökningsmetoder.

• Image fusion innefattar– spatiell registrering– kombinerad visualisering – kombinerad analys

66

PET-MRI

67

SPECT-MRI

Multimodal registreringkan också kombineras med 3D visualisering

- =

Ytprojektion of kortikal activitet

3D rekonstruktering och animering av ”Visible Human”

Visualisering baserad på fysiskt skivad anatomi

3D visualisering kräver segmentering

• Små skillnader i vävnadstypernasegenskaper kräver avancerade segmenteringsmetoder

• Höga krav på korrekt återgivning av små detaljer i anatomin

• Behov av snabb växelverkan mellan människan och systemet

• Finns behov av mycket forskning

Sammanfattning

• Människan är bra på att se och tolka mönster• Datorn är bra på att räkna och mäta• Den tredimensionella verkligheten är svår att

fullständigt återge på 2D bilder• Datorn kan väsentligt förbättra den medicinska

diagnostiken• Hittills har det mest skett genom att skapa nya

typer av bilder• I framtiden kommer troligen också 3D

visualisering och CAD att få stor betydelse

Det var allt, tack för intresset!