komputerowe obrazowanie medyczne -...

2012‐05‐24

1

Komputerowe obrazowanie medyczne

Część I

Akwizycja obrazów medycznych

Obrazowanie medyczne wczoraj

RG

Obrazowanie wnętrza ciała przez dawnych anatomów było dalekie od doskonałości(Atlas anatomiczny – XIII w.)

Badania anatomiczne w XIX w. były znacząco zaawansowane(Grafika – XIX w.)

Pacjentka dr Hugo von Zimssena z otworem w klatce piersiowej umożliwiającym obserwację pracy serca(Śląsk – XIX w.)

Historyczne zdjęcie ręki żony Wilhelma Roentgena(1895 r.)

2012‐05‐24

2

Obrazowanie medyczne wczoraj

Nośność informacyjna danych liczbowych, opisu tekstowego i obrazu

Wynik Norma Jedn.

5.2 4 – 10 G/l

4.94 4.5 – 6.5 T/l

15.5 12 – 17 g/dl

45 40 – 54 %

Jan Kowalski, PESEL: 78231106651Badanie USG jamy brzusznejData badania: 15.02.2010

Wątroba: niepowiększona ohomogenicznym echuPŻW: ŻW nieposzerzonePęcherzyk żółciowy : echoujemny bez złogówTrzustka: w USG b/z.Nerka prawa. Nerka lewa. W USG b/zŚledziona: w USG b/zNaczynia jamy brzusznej: nieposzerzonePęcherz moczowy: dobrze wypełniony o gładkich ścianachGruczoł krokowy: niepowiększony, homogenny

2012‐05‐24

3

Rodzaje obrazowych informacji medycznych

RG

Informacje poznawcze :– jak jest zbudowany dany narząd?‐ jak funkcjonuje dany narząd?

Informacje diagnostyczne :‐ jaka choroba?– jak narząd jest zdeformowany (uszkodzony) przez chorobę?‐ jak zlokalizować miejsce choroby?

Komputerowy atlas anatomiczny

2012‐05‐24

4



2012‐05‐24

5

Współczesny system obrazowania medycznego

Udostępnienie Pozyskanie

obrazu obrazu obrazu

PACS

Telemedycyna

obrazu

Przetwarzanie

Rejestracja

Wyniki analizyX=1.25, y=3.15, z=36.6

HIS

Rozpoznawanie

diagnozy

Sugestia

Główne rodzaje zobrazowań medycznych

Diagnostykaobrazowa

Rentgenografia (RTG) Tomografia komputerowa (CT) Magnetyczny rezonans jądrowy (MRI)

Scyntografia (SPECT) Pozytronowa emisyjna tomografia (PET)

Ultrasonografia (USG)Termografia (TG) Fotogrametria (FGM)

2012‐05‐24

6

Charakterystyka różnych metod obrazowania medycznego

Szybkość obrazowania

Rozdzielczość obrazu

PET

TG

FGM

CT

RTG

SPECT USG

MRI

Charakterystyka różnych metod obrazowania medycznego

Stopień szkodliwości

Koszt bad

ania

PET

TG

FGM

CT

RTG

SPECT

USG

MRI

2012‐05‐24

7

Rentgenografia – RTG

RTGPromienie X Promienie X

Ogólna charakterystyka Przeznaczenie

Wykorzystuje przenikające ciało promienie X, których zróżnicowane pochłanianie w poszczególnych narządach wytwarza potrzebny obraz.W obrazowaniu tkanek miękkich stosuje się substancje kontrastujące.

Uwidocznienie struktury narządów wewnętrznych w postaci cieni o zróżnicowanej szarości.

Rentgenografia – RTGWilhelm Roentgen – Nagroda Nobla (1901 r.)

2012‐05‐24

8

Rentgenografia – RTGTechnika pomiaru, aparatura

Rentgenografia – RTGPrzykładowe obrazy

2012‐05‐24

9

Tomografia komputerowa – CT (TK)

RTGCTPromienie X Promienie X


Wykorzystuje przenikające ciało promienie X, których zróżnicowane pochłanianie odtwarzane jest na drodze obliczeń komputerowych.

Uwidocznienie struktury narządów wewnętrznych w postaci przekrojów.Narządy nie przesłaniają się wzajemnie.

Tomografia komputerowa Nagroda Nobla (w dziedzinie medycyny) w 1979 r.

Pierwszy tomograf zbudowano w 1968 roku. Wykorzystano podstawy matematyczne opracowane przez Johanna Radona (rekonstrukcja kształtu przedmiotu na podstawie jego rzutów).

Pierwszy pacjent został przebadany w 1972 roku. Generowanie obrazu o wymiarach 80x 80 pikseli trwało ok. 7 min (minikomputer Data General Nova).

Godfrey Hounsfield (GB) Allan Cormack (USA)

Elektronik Fizyk

2012‐05‐24

10

Tomografia komputerowa - zasada działaniaTradycyjna rentgenografia – zalety: niski koszt aparatu i badania

Wady: obrazowane narządy wewnętrzne mogą się przesłaniać utrudniając poprawną medycznie interpretację obrazu.

Np. trudno uzyskać obraz rentgenowski mózgu, gdyż kości czaszki przysłaniają obraz struktur wewnętrznych.

Tomografia komputerowa – zasada działaniaTomografia komputerowa - metoda obrazowania, w której również wykorzystuje się promienie X oraz fakt ich pochłaniania w strukturach wewnętrznych ciała.

Obraz w TK jest otrzymywany w wyniku pomiaru pochłaniania na różnych drogach oraz skomplikowanych obliczeń matematycznych , które nazywa się rekonstrukcją obrazu.

2012‐05‐24

11

Tomografia komputerowa – zasada działania

W TK prześwietlany obiekt obraca się w wiązce promieni X – pozwala to na uzyskanie pomiarów pochłaniania promieniowania pochodzących z różnych kierunków jego przenikania przez badany obiekt (ciało pacjenta). Ustalenie jak silne jest pochłanianie promieni X na różnych drogach umożliwia prawidłowe odtworzenie rozmiarów, kształtów i wzajemnego położenia struktur wewnętrznych.

Obieganie ciała pacjenta przez lampę rentgenowską i matrycę detektorów

(czas obrotu - 0.3 – 1 sek)

Wynikiem badania tomograficznego jest zawsze seria przekrojów badanej

części ciała

Tomografia komputerowa - zasada działania

Główne elementy konstrukcyjne tomografu Zasada działania tomografii spiralnej

Rozwiązanie tradycyjne ‐ ruch obrotowy (detektorów i lampy) naprzemiennie z ruchem posuwistym stołu

Gantry

Stółprzesuwny

Systemwizualizacji

2012‐05‐24

12

Zasada tworzenia zobrazowania tomograficznegoNa drodze L przenikana promieniowania X mierzy się natężenie promieniowania przed wejściem w ciało pacjenta (I0) i po wyjściu (I). Można na tej podstawie wyliczyć sumaryczną zdolność pochłaniania promieniowania przez wszystkie struktury wewnętrzne leżące na drodze L.

Taki pojedynczy pomiar niewiele daje. Do uzyskania obrazu trzeba znaleźć stopień pochłaniania promieniowania w każdym punkcie ciała badanego pacjenta μ(x,y,z), gdzie x, y i z są współrzędnymi przestrzennymi punktu (lub tylko μ(x,y), gdy mamy ustalone położenie przekroju (warstwy zdjęcia)).

W tym celu trzeba każdy punkt przekroju prześwietlić wieloma promieniami biegnącymi w różnych kierunkach.

L

Lampa Detektor

I0 IL

Zasada tworzenia zobrazowania tomograficznego

X1 + X2 = 3

X1 + X3 = 4

X3 + X4 = 4

X2 + X4 = 3

Uproszczony przykład obliczeń ilustrujący zasadę rekonstrukcji obrazu w TK

X1 X2

X3 X4

1 2

3 1

X1 = 1

X2 = 2

X3 = 3

X4 = 1

2012‐05‐24

13

Zasada tworzenia zobrazowania tomograficznego

Wynik skanowań

Końcowy wynik rekonstrukcji

X1 X2

X3 X4

16

6

1412108

8 8

3 3

10 12

6

16

11 11

Pierwszy etap iteracji

9 7

1 5

16

6

1412108

7.5 8.5

2.5 3.5

16

6

1412108

11 11

Drugi etap iteracji

Iteracyjna metoda rekonstrukcji obrazu w TKW pierwszym przybliżeniu zakładamy, że w każdym wierszu są jednakowe wartości pochłaniania.

W drugiej iteracji korygujemy wartości pochłaniań w poszczególnych wokselach, aby uzyskać zgodność w kolumnach i nie utracić zgodności w wierszach.

W trzeciej iteracji korygujemy wartości pochłaniań w poszczególnych wokselach, aby uzyskać zgodność pochłaniania na przekątnych i nie utracić zgodności w wierszach i kolumnach.

Wizualizacja obrazów tomograficznych

W badaniach TK otrzymujemy zawsze całą serię obrazów. Pojedynczy przekrój o grubość 0.75 mm – 10 mm to matryca wokseli, które są odwzorowywane na piksele i wizualizowane.

Rozdzielczość woksela to ok.0.5 x 0.5 x 0.6 mm.

Większa rozdzielczość to lepsza jakość obrazu, ale też większa dawka promieniowania

Obrazy z TK są wysokiej jakości i dobrze czytelne

2012‐05‐24

14

Wizualizacja obrazów tomograficznychSkala Hounsfielda – wyraża zdolność pochłaniania promieniowania rentgenowskiego.

Powietrze Woda Metal

‐1000 0 1000

Graficzna prezentacja skali Hounsfielda

Przykładowe wartości:

Tłuszcz: od - 100 HU do - 150 HU

Krew: od + 30 HU do + 45 HU

Mięśnie: + 40 Hu

Kości: powyżej + 400 HU

Wizualizacja obrazów tomograficznychW badaniach TK wartość stopnia pochłaniania ( w jednostkach Hounsfielda) mogą być wyznaczone z dokładnością do 1 HU (a nawet ułamka HU). Oznacza to, że cyfrowy obraz TK jest reprezentowany w 12 – 16 bitowej skali szarości (od 4096 do 65536 rozróżnialnych poziomów szarości) .

Człowiek może rozróżnić nie więcej niż 60 poziomów szarości. Przy prezentowaniu lekarzowi obrazów CT korzystamy z odwzorowania zubażającego ilość prezentowanych informacji(najczęściej w 256 stopniowej skali szarości).

Zastosowanie funkcji okna dla polepszenia czytelności obrazu TK

2012‐05‐24

15

Rekonstrukcja 3D

Trójwymiarowe rekonstrukcje wnętrza ciała są niezwykle atrakcyjne i ekspresyjne ale niosą bardzo mało użytecznych informacji diagnostycznych

Magnetyczny rezonans jądrowy – MRI (NMR)

MRIMikrofale

GAMMA

Polemagnetyczne


Umieszczenie pacjenta w silnym polu magnetycznym powoduje, że jądra niektórych atomów pod wpływem impulsu elektromagnetycznego generują mikrofale, które się obrazuje.

Różnicowanie tkanek, które przy innych zobrazowaniach są identyczne, a które różnią się zawartością określonych atomów. Można obrazować zarówno struktury, jak i funkcje narządów.

2012‐05‐24

16

Magnetyczny rezonans jądrowy – MRI

NMR – Nuclear Magnetic ResonancePonieważ pojęcie nuclear (nuklearny, jądrowy) źle się kojarzy, dlatego metodę nazwano:Magnetic Resonance Imaging (MRI)

MRI – zasada działania

Schemat wzajemnej orientacji stałego pola magnetycznego B0 i pola zmiennego B1 wytwarzanych w MRI

N

S

B0

B1

Budowa MRI i usytuowanie pacjenta w trakcie badania – pacjent jest ulokowany w odpowiednio kształtowanych dwóch polach magnetycznych: stałego B0 i zmiennego B1

2012‐05‐24

17

MRI – zasada działaniaJądra niektórych atomów (np. wodoru) wykazują moment magnetyczny ‐ w polu magnetycznym zachowują się jak dipole i podlegają określonemu uporządkowaniu (orientacji) . Linie pola magnetycznego jąder atomów ustawiają się równolegle do kierunku (linii sił) wytworzonego pola magnetycznego.

Orientacja momentów magnetycznych (dipoli) jąder atomów bez pola oraz w obecności stałego pola magnetycznego

B0B0

Moment magnetyczny jądra wodoru (te atomy wykorzystuje się w MRI, bowiem wodór wchodzi w skład niemal wszystkich ważnych biologicznie cząsteczek chemicznych) jest bardzo mały i nie wystarczy, aby go wykorzystać do mapowania rozmieszczenia tych jąder w tkankach .

MRI – zasada działaniaW MRI wykorzystuje się zjawisko rezonansu magnetycznego , które zachodzi w silnym stałym polu magnetycznym B0 (dla magnesów stałych – do 0.5 T, dla magnesów nadprzewodzących – ponad 1 T) przy równoczesnym działaniu zmiennegoprostopadłego pola magnetycznego (zjawisko to odkryli fizycy Felix Bloch i Edward Mills Purcell (nagroda Nobla z fizyki w 1952 roku)). Jądra atomów wodoru absorbują energię zmiennego pola magnetycznego (o charakterze impulsowym) i oddają ją w formie fal eketromagnetycznych (radiowych)

Zjawisko rezonansu oznacza, że jądra atomów wodoru wysyłają sygnał w postaci fali radiowej, który może być zarejestrowany i zmierzony.

Główne polemagnetyczne B0

Sygnał pobudzający B1Sygnał radiowy odebranyna skutek rezonansu

2012‐05‐24

18

MRI – zasada działania

Czasy relaksacji (T1 i T2) zależą od otoczenia, w którym znajdują się jądra atomów wodoru (a więc od rodzaju tkanki). Dla tkanek ludzkich czasy te przyjmują wartości od 0.08 s do 2.5 s. Im czas relaksacji jest większy, tym emitowany sygnał radiowy jest słabszy. Można tak kształtować impulsy zmiennego pola magnetycznego (czas ich trwania i odstępy pomiędzy nimi), aby – w zależności od potrzeb – w zarejestrowanym sygnale radiowym bardziej widoczne były różnice w czasach T1 lub T2 . To zjawisko można obrazować – im mniejszy czas relaksacji, tym silniejszy sygnał i tym np. jaśniejszy punkt.

Zjawisko releksacji magnetyzacji (absorpcji energii) i demagnetyzacji (oddawania energii) pod wpływem impulsu zmiennego pola magnetycznego.

T1 T2

Impuls zmiennego pola magnetycznego

Czas

100%

63%

36%

CT MRI (T1) MRI(T2)

MRI – czasy relaksacji

Woda

Płyn rdz. ‐mózgowy

Krew

Mięśnie

Nerki(rdzeń)

Nerki (kora)

Śledziona

Mózg – istota szara

Mózg – istota biała

Wątroba

0 500 1000 1500 2000 2500 [ms]

2012‐05‐24

19

MRI – zasada działaniaWiemy już jak powstają obrazy MRI – pozostaje problem, jak powiązać piksele obrazu MRI z wokselami ciała pacjenta, z których odbierane są sygnały radiowe.

Wykorzystuje się tutaj następujące prawo:

Aby zmienne pole magnetyczne B1 wywołało rezonans magnetyczny, częstotliwość zmian tego pola musi być ściśle określona (tzw. częstotliwość Larmora). Częstotliwość ta zależy od natężenia stałego pola magnetycznego B0.

Jeśli w tomografie będzie gradientowe pole B0 (o mocy malejącej (rosnącej) wzdłuż osi ciała pacjenta), to dla określonej częstotliwości pola zmiennego B1 pojawi się rezonans magnetyczny tylko w jednej warstwie ciała pacjenta (wydzielona płaszczyzna przekroju ciała pacjenta).Płaszczyznę tę można „przesuwać” zmieniając częstotliwość zmiennego pola magnetycznego B1.Nagroda Nobla z medycyny Paul Lauterbur i Peter Mansfield (2003)

z

B0

z

Magnetyczny rezonans jądrowy – MRI Przykładowe obrazy

T1, T2, PD (Proton Density Weighting) ‐ obrazy MRI

MRA – zobrazowanie Magnetic Resonance Angiography

2012‐05‐24

20

Metody radioizotopowe (Scyntografia) – SPECT (Gamma)

MRISPECTPromienie g

Izotoppromieniotwórczy


Wprowadzenie do ciała pacjenta substancji biologicznie czynnych znakowanych izotopami promieniotwórczymi pozwala lokalizować miejsca oraz procesy gromadzenia i metabolizowania tych substancji.

Można obrazować zarówno struktury obszarów silniej i słabiej uczestniczących w metabolizmie rozważanych substancji, jak i funkcje narządów śledząc tempo gromadzenia i usuwania izotopów.

Scyntografia – SPECT Technika pomiaru, aparatura

2012‐05‐24

21

Scyntografia – SPECT Przykładowe obrazy

Pozytronowa emisyjna tomografia – PET

RTG

USG

PETPromienie g

Izotoppromieniotwórczy

Ultradźwięk


Krótkożyciowe izotopy promieniotwórcze emitujące w czasie rozpadu pozytrony wprowadzone do wybranych narządów, pozwalają dokładnie badać aktywność poszczególnych części tych narządów.

Istota metody polega na dokładnym lokalizowaniu w organizmie pacjenta znakowanego izotopem związku wykazującego specyficzne zdolności wiązania się z komórkami przejawiającymi interesującą formę aktywności.

2012‐05‐24

22

Pozytronowa emisyjna tomografia – PETTechnika pomiaru, aparatura

Pozytronowa emisyjna tomografia – PETPrzykładowe obrazy

2012‐05‐24

23

Ultrasonografia – USG

USGUltradźwięk

Ultradźwięk


Wnętrze ciała pacjenta penetrowane jest przez wiązki ultradźwięków, które odbijając się od powierzchni narządów i ich elementów składowych pozwalają na ich obrazowanie.

Obrazowanie wewnętrznych narządów, a także ich ruchu. Możliwy pomiar szybkości przepływu (na przykład krwi) oraz trójwymiarowa rekonstrukcja ruchomych obiektów (na przykład płodu).

Ultrasonografia – USGPrzykładowe obrazy

2012‐05‐24

24

Ultrasonografia – USGPrzykładowe obrazy

Termowizja (Termografia) – TG

RTG

FGM

TGPodczerwień


Badana jest emisja promieniowania podczerwonego wywołanego naturalną ciepłotą ciała pacjenta.

Rejestrowane jest promieniowanie cieplne powierzchni ciała pacjenta, ale pośrednio można wnioskować o strukturze i funkcjach narządów wewnętrznych śledząc na powierzchni ciała obszary o podwyższonej lub obniżonej temperaturze.

2012‐05‐24

25

Termowizja – TGKamery termowizyjne

Termowizja – TGPrzykładowe obrazy

2012‐05‐24

26

Fotografia (Fotogrametria) – FGM

RTGFGMŚwiatło

Światło


Obserwowane jest ciało pacjenta lub jego fragmenty (np. komórki pobrane w czasie biopsji) w świetle widzialnym (lub w zakresie bliskim światłu widzialnemu – np. w ultrafiolecie).

Możliwa jest ocena struktur mikroskopowych (histologia) lub makroskopowych (diagnostyka chorób skóry, lub wad postawy i zaburzeń ruchu).

Fotografia – FGMTechnika pomiaru, aparatura

2012‐05‐24

27

Fotografia – FGMPrzykładowe obrazy

Endoskopia (Gastroskopia, kolonoskopia, bronchoskopia)

2012‐05‐24

28

Endoskopia kapsułkowa Video Capsule Endoscopy, VCE

Kapsułka połykana – wędruje przez układ pokarmowy i jest wydalana. Czas wędrówki ok. 8 godzin. W tym czasie robi ok. 50‐60 tys. zdjęć. Są bezprzewodowe przesyłane do rejstratora umieszczonego na brzuchu pacjenta

Funduskamera (badanie dna oka)

komputerowe obrazowanie medyczne -...

Documents