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Generación y análisis de imágenes biomédicas
Roberto A. Isoardi
Escuela de Medicina Nuclear CNEA / FUESMEN Mendoza, Argentina
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Introducción
• Las imágenes tienen importancia central en el diagnóstico
• Desarrollo importante en las últimas décadas
• Diferentes formas de generar e interpretar imágenes médicas
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Imágenes médicas
• Usa distintas porciones del espectro – PET – rayos gamma,
511keV
– Rayos-X, CT
– Luz visible
– Termografías
– Ondas de radio de spines nucleares, RMN
– Actividad eléctrica del cuerpo, EEG
• Ondas sonoras, ultrasonido
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Modalidades
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Proyección clásica 2D de radiografía
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Rayos-X: Röntgen – el inventor
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Tendencias: Rayos-X
• Más de 100 años de desarrollo analógico
• Desde hace unos 20
años comenzaron
equipos digitales
• Tecnología digital en
reemplazo de la
analógica
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Radiografía
• La exposición directa no se usa salvo casos especiales (p.ej. Radiografía dental)
• Las pantallas intensificadoras convierten Rayos
X en luz visible, ganancia 100-10 000 x
• Usa una rejilla de enfoque para minimizar la
radiación dispersa y mejorar el contraste
• Film va siendo reemplazado por panel digital.
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Músculos y huesos
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Convencional vs. digital
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Radiografía digital: ventajas
• Mayor contraste.
• Evita repetir tomas por errores
• Menor exposición
• Almacenamiento simplificado
• Evita uso de placas, químicos, etc.
• Fácil disposición y manejo en red.
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Fluoroscopía
• Toma imágenes en tiempo real
• Modos continuos o pulsados
• Intensificador de imágenes (tubo o CCD)
• Registra la imagen digitalmente desde la
cámara de TV
– Fluoroscopía digital
– Angiografía de sustracción digital
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Vasos sanguíneos - Angiografía
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Fluoroscopía digital
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Fluroscopía vs. Radiografía
• Fluoroscopía –transluminancia, – Crea una imagen “en vivo”
del paciente
– Puede hacerse diagnóstico
en “tiempo real”
– Muestra dinámica
– Puede controlar algunos
procedimientos invasivos
– Dosis relativamente alta
para paciente y personal
• Radiografía – Fotografía de Rayos X • Crea una imagen “congelada”
• Puede interpretarse sin apuro
• Ofrece documentación médica y legal
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Tomografía Computada (CT)
Genera imágenes de cortes a través del cuerpo
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CT: cómo funciona
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CT: cómo funciona
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TC-Principios funcionales
• Se mide la absorción de Rayos X a través de un gran número de ángulos, creando “perfiles” o “proyecciones”
• Estas proyecciones se filtran y
“retroproyectan” para formar cada corte.
• TC ofrece una gran resolución de
contraste y una gran exactitud geométrica
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TC: propiedades de imagen
• La TC mide coeficientes de atenuación relativos al agua (Unidades de Hounsfield)
– -1000 aire
– 0 agua
– +1000 hueso
• Visualización a través de distintas
ventanas de contraste
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TC multicorte
– 64 canales
• Especificaciones típicas;
• Adquisición 64 x 0.625 mm
• 0.34mm x 0.34mm x 0.34mm isotropic resolution
• Rotación 0.4 seg.
• Más de 24 pl/cm (alta resolución espacial)
• Matrices de reconstrucción 768 x 1024
• Reconstrucción ~ 40 imágenes por segundo.
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Tomografía Computada
CT provee información anatómica
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Ejemplos CT
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Resonancia Magnética Nuclear (RMN)
Basada en secuencias de pulsos en un campo magnético principal
Diferentes contrastes con diferentes secuencias de pulsos
La orientación de los cortes puede darse libremente
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Imágenes por RM
La RM da información anatómica
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Cómo funciona la RM
• Los núcleos con número impar de protones/neutrones tienen espín no nulo.
• Tienden a alinearse con un gran campo externo
• Se lo perturba con la frecuencia de resonancia
(frecuencia de Larmor)
• Cuando los átomos vuelven a la posición de
equilibrio con el campo emiten RF que se detecta
con bobinas receptoras
• Controlando gradientes de campo y secuencias de
pulsos de RF se pueden seleccionar planos de
excitación y pueden crearse imágenes en 2D o 3D
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RM: conceptos fundamentales
• Las imágenes de RM pueden ser ponderadas en dos contrastes principales:
• T1 es el tiempo de relajación espín-red de
recuperación de la magnetización longitudinal
en equilibrio con el campo principal
Mz = Mo ( 1 - e-t/T1 )
• T2 es el tiempo de relajación de decaimiento de
la magnetización transversal: MXY =MXYo( e-t/T2)
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RM: propiedades de imagen
• Buena resolución de contraste para tejido blando
• Versátil: distintos contrastes y cortes.
• No es posible medir los niveles de intensidad en
términos absolutos
• Precisión geométrica no es buena.
• No se conocen efectos nocivos
• Precaución con objetos que pueden afectarse en
presencia del fuerte campo magnético
• En constante evolución
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RM Neuro
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Músculos y huesos (articulaciones)
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Detalles esqueléticos
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Ortopedia con RM
• 0.078 mm resolución muñeca
• Delineación clara de las paredes venosas
• Detalles técnicos: – T1 FLASH
– TR 591 ms,
– TE 7.5 ms,
– TA 6:09 min,
– SL 3 mm,
– slices 19,
– matrix 1024,
– FoV 80 mm.
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RM de
cuerpo
entero
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Neuro
Multiple esclerosis
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Angiografía
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Cardio
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Nuevos diseños abiertos
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Tecnologías de RM
• Las imágenes de RM están influenciadas por varios factores:
• Las bobinas receptoras de RF se adaptan a la anatomía y patología. – Una bobina más ajustada al cuerpo provee mejor imagen
• Distintas secuencias de pulsos de RF proveen distinto contraste, resolución, ruido, etc.
• Se pueden en principio hacer estudios “gatillados” en sincronismo con el movimiento cardíaco, respiración, flujo sanguíneo.
• Los medios de contraste pueden ayudar a visualizar mejor ciertas estructuras.
• Se puede registrar la actividad neuronal con fMRI
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Imágenes funcionales
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Imágenes tensor de difusión
• Mostrando la
conexión de
fibras cerebrales
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Tomografía por emisión de positrones (PET)
Imágenes funcionales, distribución de radio-trazadores
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PET - Principios
• Un compuesto emisor de positrones se introduce en el paciente (ej. vía endovenosa)
• El positrón recorre el tejido en un rango de mm, y se aniquila con un electrón formando dos rayos Gamma de 511 keV en direcciones opuestas.
• Éstos son detectados con cristales opuestos ubicados en anillos alrededor del paciente y se determina la línea o la región aproximada donde tuvo lugar el evento de aniquilación.
• La reconstrucción de imágenes tomográficas se realiza en forma similar a CT.
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PET: Propiedades de imagen
• Proporciona imágenes funcionales con una resolución especial de ~5 mm
• La glucosa puede ser marcada con F-18 y esto permite ver dónde en el cerebro se consume normal o patológicamente
• Varias sustancias pueden ser marcadas por lo que PET tiene muchas aplicaciones en investigación farmacéutica (C-11, O-15, F-18, N-13, Ga-68)
• Son producidas mediante un ciclotrón y un módulos de síntesis radiofarmacéutica. Tecnología muy costosa.
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PET – principios
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PET
PET da información funcional
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Ciclotrón
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Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT)
SPECT es similar a PET: genera imágenes funcionales de radiotrazadores
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SPECT - principios
• Se administra un radiofámaco al paciente, compuesto marcado con emisor Gamma
• Se determina la posición del evento mediante un
cabezal con un cristal detector.
• Necesita colimadores frente al cristal para
detectar radiación sólo en la dirección de
interés.
• Este cabezal puede girar alrededor del paciente
para adquirir proyecciones tomográficas.
• El principio de reconstrucción es similar a PET
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SPECT – Propiedades de imagen
• SPECT genera imágenes funcionales y en 3D con resolución inferior a PET (~1cm)
• Permite una amplia variedad de estudios con distintos radionucleídos y radiofármacos
• Los radionucleídos tienen vida media más larga que PET y pueden producirse a distancia : menor costo.
• Se pueden estudiar procesos dinámicos
en tiempos prolongados
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SPECT
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Single Photon Emission Tomography
SPECT : información funcional
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Ultrasonido, US
• Basada en el principio del sonar. Se envía sonido de alta frecuencia al cuerpo, típicamente unos MHz y se estudian los ecos.
• Puede dar imágenes dinámicas en 2D o
3D con un equipo compacto.
• Las imágenes tienen sus artefactos como
ruido coherente, speckle y propagación no
lineal del sonido.
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Ultrasonido
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Ultrasonido, tejido blando
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Cardio
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Imágenes cardíacas con US
Corazón en movimiento
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Monitoreo fetal
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Visualización 3D
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Eco-Doppler
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Algunas ventajas de datos digitales
• Mayor contraste en imágenes con menor radiación
• Puede manejar la información eficientemente con
PACS – Picture Archiving and Communication
Systems
• Procesado de datos en 3D/4D:
– Cortes tomográficos en cualquier plano
– Visualizaciones tridimensionales
– Creación de imágenes paramétricas (ej. consumo de
glucosa en cada pixel, etc)
• Segmentación, Registración, Fusión.
• Extracción de información cuantitativa
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Hombre vs. computadora
• El ser humano es superior para reconocer e interpretar patrones
• La computadora suele ser superior en:
– Almacenamiento
– Transporte
– Presentación
– Contaje y medición
• La computadora puede mejorar la
visualización para análisis humano.
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PACS – Sistema de Archivo y Comunicación de Imágenes
• En un hospital actual se archivan cientos de estudios o miles de imágenes por día.
• Un PACS (Picture Archiving and Communication System), ayuda a administrar esta tarea.
• Existe un protocolo consensuado para transmisión y formato de imágenes médicas (DICOM) – Digital Communication in Medicine
• Requiere redes y almacenamiento de gran capacidad (varios TB por día).
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Realce digital
• El formato digital permite mejorar la presentación y el poder diagnóstico de la imagen.
• Operaciones:
– Punto a punto
– Máscaras de vecindad
– Dominio de frecuencias
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Transformaciones punto a punto
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Inversión de contraste - mamografía
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Realce de contraste
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Sustracción de imágenes
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Filtrado espacial
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Filtro promedio
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Filtro reductor de ruido
Imagen original
Filtro promedio 3x3 Filtro mediana 3x3
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Filtro de nitidez
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Ejemplo filtrado
a) Imagen cuerpo entero
b) Filtro Laplace
c) Suma a y b
d) Filtro Sobel a
e) 5x5 promedio
de a
f) c*e
g) a+f
h) Greyscale
transf. of g
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Mamografía
![Page 75: Generación y análisis de imágenes biomédicasmedica.fisica.edu.uy/docs/ri/01 - Tutorial general modalidades...• Registra la imagen digitalmente desde la cámara de TV –Fluoroscopía](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020215/5bbd307209d3f24a538c49fe/html5/thumbnails/75.jpg)
Mamografía
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Mamografía
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Representación volumétrica
Transformar un objeto 3D en 2D. Se envía un rayo imaginario a través de cada pixel de la
imagen. El color e intensidad son determinados por la
interacción entre el rayo y los elementos de volumen con
distintas fuentes de luz.
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Sombreado en niveles de grises con gradientes
• Se elige un umbral en nivel de gris y se mandan rayos al volume hasta que se encuentra un voxel con un valor mayor al umbral
• Los gradientes de intensidad en dichas posiciones se combinan
con las fuentes de luz para renderizar la imagen.
• Los planos de corte se usan para remover partes del volumen y
hacer otras visibles.
MRI PET
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79
Renderizado: métodos
• Modalidades simples
– Sombreado en gradiente por niveles de gris
– Maximum intensity projection (MIP)
– Proyección integrada
• Múltiples modalidades
– Visualización combinada
– Segmentación implícita
– Proyección de actividad cortical
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Visualización 3D en CT
Más fácil
que para
RM por
tener
números de
Hounsfield
fijos
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Proyecciones MIP de una angiografía con RM.
MIP original Arterias Venas
Conectividad de niveles de grises – Análisis de imagen
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Proyección de intensidad
máxima (MIP)
• Se determina el mayor valor a lo largo de cada rayo
• particularmente útil para
estructuras pequeñas e intensas
•
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83
Fusión de imágenes
• Información complementaria (anatómica y funcional)
• Incluye:
– Registración espacial
– Visualización combinada
– Análisis combinado
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05-10-10 84
Start
Transformar
Evaluar función de similaridad
Converge?
Elegir nuevo conjunto de parámetros
Referencia Flotante
No Sí
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85
PET-MRI
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SPECT-MRI
![Page 87: Generación y análisis de imágenes biomédicasmedica.fisica.edu.uy/docs/ri/01 - Tutorial general modalidades...• Registra la imagen digitalmente desde la cámara de TV –Fluoroscopía](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020215/5bbd307209d3f24a538c49fe/html5/thumbnails/87.jpg)
Registración multimodal combinada con
visualización 3D
- =
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Proyección superficial de actividad cortical
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![Page 92: Generación y análisis de imágenes biomédicasmedica.fisica.edu.uy/docs/ri/01 - Tutorial general modalidades...• Registra la imagen digitalmente desde la cámara de TV –Fluoroscopía](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022020215/5bbd307209d3f24a538c49fe/html5/thumbnails/92.jpg)
La visualización en 3D requiere segmentación
• Pequeñas diferencias en los distintos tipos de tejido hacen necesario los métodos avanzados de segmentación
• Gran demanda de cada vez mayor detalle
en la anatomía (y función).
• Se requiere de interacción rápida entre
máquina-humano
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Resumen
• Podemos explorar anatomía y función con diversas modalidades
• Física al servicio de la medicina.
• Etapas en el diagnóstico por imágenes médicas: generación, reconstrucción, visualización, análisis y reporte (informe)
• Diagnóstico asistido por computadora: en
constante evolución.