力学与医学影像 - sjtunaoce.sjtu.edu.cn/upload/1437880191240145.pdf · 2015-07-26 ·...
TRANSCRIPT
2015/3/3
1
庄吓海
1
力学与医学影像
医学影像和信息处理介绍(2)
课程内容
医学影像设备回顾
医疗设备中的应用与分析软件
• 癌症肿瘤检测与治疗
• 阿尔兹海默病检测
• 心脏病与心功能分析
医学图像信息处理(医学图像计算)
• 医学图像分割概念
• 医学图像配准概念
2015/3/3
2
X光片
3
X光计算机断层扫描(CT)
4
2015/3/3
3
5
超声(Ultrasound)
磁共振(MRI)
高端磁共振机器价位千万RMB级别6
2015/3/3
4
内容
临床应用介绍
图像处理与医学图像信息处理
7
8
2015/3/3
5
9
活检前磁共振图像活检中超声图像
10
2015/3/3
6
肿瘤分割
11
肿瘤分割
肿瘤的3D分割
12
2015/3/3
7
肿瘤分级
• Combine multi-modal MRI
(A) Proton density, (B) T2-weighted, (C) FLAIR, (D) T1-weighted and (E) T1-weighted following intravenous gadolinium administration.
(DWI,DTI,MRS) 。。。
Brain tumour grading
Brain tumour segmentation
Brain tumour characterisation
13
融合多模态图像
14
2015/3/3
8
二、阿尔兹海默病检测
磁共振影像
15
阿尔兹海默病与脑萎缩检测
健康人 阿尔兹海默症病人?
阿尔兹海默症病人
定性定量 早诊早治
16
2015/3/3
9
阿尔兹海默症研究
17
阿尔兹海默症研究
18
2015/3/3
10
阿尔兹海默症研究
Jacobian分析非刚体配准技术
通过高精度图像配准方法—结合空间信息的互信息方法,利用Jacobian分析计算病人脑萎缩率,从而分析病人患有的阿茨海默症风险或严重程度
19
三、心脏病与心功能分析
1700万
全世界每年死于心血管疾病人数
2亿
中国不同程度心脏疾病患者
260万
每年死于心血管疾病人数
千亿
中国相关医疗费用(元)
20
2015/3/3
11
心脏病
冠状动脉的异常
心脏的形态异常
• 结构异常:缺损或畸形,瓣膜功能异常,室壁厚度和心腔大小改变
• 心肌异常:缺血,坏死,炎症
心脏的功能异常:
• 泵功能异常:收缩,舒张,射血分数
• 节律异常
21
冠状动脉分析
Model-Guided Directional Minimal Path for Fully Automated Coronary Extraction from Cardiac CTA[L. Liu, W. Shi, D. Rueckert, M. Hu, S. Ourselin, X. Zhuang *. MICCAI , 542-549, 2013]
22
2015/3/3
12
心脏结构
CT或MRI获取解剖结构
Cardiac MRI volume
23
Left ventricle (1), right ventricle (2), left atrium (3), right atrium (4), myocardium (5), pulmonary artery (6), aorta (7).
心功能检查
[X Zhuang, PhD thesis, 2010 UCL]
…
心脏MRI
24
2015/3/3
13
心脏病
ACC/AHA治疗指南(2005):QRS>0.12s(心脏失同步)LVEF<=35%NYHA分级III-IV级
30%的患者对CRT治疗没有疗效
MRI影像能否提供更精确标准?
25
结合多序列的心功能分析
wall motion myocardium thickening Myocardium strain
心脏分割
心肌运动
26
2015/3/3
14
27
医学图像信息处理
医学图像分割
医学图像配准
软件和编程
28
2015/3/3
15
29
图像分割
• 概念
Images courtesy of Prof. D. Alexander, UCL30
2015/3/3
16
医学图像分割
• 分割结果的表现(生成的结果)
• Label,surface,probability map
Probability of being myocardium
[Image courtesy of Dr. Yipeng HU, UCL]
Whole heart segmentation31
医学图像分割
• 分割方法
• Low level (image intensity based)
• Threshold, region growing, snake …
• High level (prior knowledge guided)
• Deformable based, atlas propagation and segmentation
• EM, graph-cut, active contour level-set
32
2015/3/3
17
医学图像分割
• 应用例子
• 单一器官/组织的分割
• 大脑磁共振图像的脑组织分割
• 心脏整体分割
• Vessel
• 多器官/组织分割
• 心脏内腔分割
• 人体多器官分割(肝,肾,脾,胰腺??)
33
医学图像分割
[MIM Software Inc., Cleveland, OH ]
34
2015/3/3
18
医学图像分割
[Slide courtesy of Dr. Yanyun Lian, 复旦]35
医学图像分割
• Prior knowledge guided: atlas propagation and segmentation
Whole heart segmentation
36
2015/3/3
19
医学图像分割
• Prior knowledge guided: atlas propagation and segmentation
37
38
2015/3/3
20
39
40
2015/3/3
21
医学图像配准
[Zhuang, X. PhD thesis 2010, UCL]
配准
41
医学图像配准
[Zhuang, X. PhD thesis 2010, UCL]42
2015/3/3
22
空间变换
43
空间变换
44
2015/3/3
23
形变
• Nonrigid/nonlinear/deformation
45
插值
• Why interpolation
46
2015/3/3
24
医学图像配准
• 配准的目的和结果表现
• Aligned resultant image
• Transformation (correspondence between two coordinates)
• Both of them
47
医学图像配准
• 配准分类
• 图像信息属性
• 配准目的
• 空间变换
• 优化过程
• 配准依据标准
单模态 vs 多模态
48
2015/3/3
25
医学图像配准
• 配准分类
• 图像信息属性
• 配准目的
• 空间变换
• 优化过程
• 配准依据标准
[庄吓海硕士论文2006上海交大] 49
医学图像配准
• 配准分类
• 图像信息属性
• 配准目的
• 空间变换
• 优化过程
• 配准依据标准
Locally affine transformation model and locally affine registration method
50
2015/3/3
26
医学图像配准
• 应用例子
• 线性:stitching, fusion,
• 非线性:longitudinal study, motion tracking
• 基于图谱配准的分割传播方法
51
27
2
2045
60
Stitching
Slide courtesy of YU, Wenjun (SW BU, UIH)52
2015/3/3
27
27
2
2045
60
Slide courtesy of YU, Wenjun (SW BU, UIH)
27
2045
53/5
Spine Vessel
Slide courtesy of YU, Wenjun (SW BU, UIH)
CT
PET
PET/CTFusion
T1
DTI
Fused image
54
2015/3/3
28
LONGITUDINAL STUDY OF AD
[Slide courtesy of Dr. Mingxing HU, UCL]55
LONGITUDINAL STUDY OF AD
[Slide courtesy of Dr. Mingxing HU, UCL]56
2015/3/3
29
LONGITUDINAL STUDY OF AD
57
MYOCARDIAL MOTION TRACKING
Image courtesy of Dr. Wenzhe SHI (IC), Dr. Steve Niederer (Oxford,KCL)
Whole cardiac cycle
58
2015/3/3
30
REGISTRATION FOR SEGMENTATION
Atlas propagation and segmentation
register an atlas with segmentation information to the target image for segmentation propagation
59
ATLAS PROPAGATION AND SEGMENTATION
• An atlas is defined to an image pair consisting of an atlas intensity image and an atlas label image, and other useful a priori information
Atlas intensity image atlas label image60
2015/3/3
31
[Zhuang et al. IEEE TMI 2010]
ATLAS PROPAGATION AND SEGMENTATION
61
62
2015/3/3
32
• 为什么编程?
63
MATLAB
• Designed specifically for numerical computing
• Platform independence (pretty much!)
• Relatively easy to learn
• Rapid data visualisation using in-built functions
• No explicit compiling or linking (line-by-line interpretation = slow??)
• Well-suited to software/algorithm ‘prototyping’…
• but this should not be an excuse for poor programming technique
• Careful design and code documentation are still very important
64
2015/3/3
33
C/C++
• General purpose programming language used by professional developers
• (Source) code is compiled and linked
• No licensing issues for code commercialisation
• Some open source libraries have restrictive licenses
• Much more dependent on hardware platform
• Extensive range of libraries provides “high-level” functionality equivalent to MATLAB
• Huge online knowledge base
• Better control over memory usage
• C++ was designed for object-oriented programming (OOP)
• Faster??
65
MATLAB VS C/C++
Misconceptions about MATLAB
• It is slow!
• Not necessarily - it depends on what you are trying to do
• Recent versions of MATLAB employ just-in-time (JIT)
• compilation and hardware acceleration
• It does not support object-oriented programming
• Not true!
• Objects, classes and features, such as polymorphism, are implicitly supported
See http://www.mathworks.co.uk/discovery/object-orientedprogramming.html
• MATLAB is only used by universities
• Not true!
• MATLAB is widely used in industry (particularly for algorithm prototyping)
66
2015/3/3
34
COMBINATION
• Mixing MATLAB and C/C++?
• mex files can be used to call C/C++ functions from MATLAB
• MATLAB Compiler converts MATLAB code into C/C++ source code
• Other options…
67
RESOURCES AVAILABLE ONLINE
• Insight tool kit (ITK)
• Visualization tool kit (VTK)
• SPM (ION, UCL)
• IRTK (IC)
• SLICER
• ZXHPROJ
68
2015/3/3
35
ZXHPROJgoogle Xiahai Zhuang, UCL ->[http://www.cs.ucl.ac.uk/staff/X.Zhuang/]
zxhproj-> [http://www.cs.ucl.ac.uk/staff/X.Zhuang/zxhproj.html]
69
RECAP
医学影像介绍
临床应用介绍
医学图像信息处理
70
2015/3/3
36
研究方向
医学图像计算(医学影像信息处理)
反馈
应用医学、电子、计算机、工程、数学、物理 。。。
图像分割与配准
建立先验知识库(如心脏图谱,运动模型)解剖结构
数据
器官运动数据
病理数据
其他数据
建模与可视化
…
诊断
治疗
生医科研
医学教学
医学影像 图像计算 应用
…
生物标记
71
研究方向
医学图像计算(医学影像信息处理)
MI&MIC
72
2015/3/3
37
73
参考书目
The Essential Physics of Medical ImagingEditors: Lippincott Williams and WilkinsPublished: 1st Nov, 2011
Medical Image RegistrationSeries: Biomedical EngineeringPublished: June 27, 2001 by CRC PressContent: 392 PagesEditor(s): Joseph V. Hajnal,
Derek L.G. Hill, David J. Hawkes
Automatic Whole Heart SegmentationBased on Image RegistrationZHUANG, Xiahai PhD Thesis 2010 University College London
《医学图像处理与分析》作者:罗述谦,周果宏著出版社:科学出版社出版时间:2010-12-01ISBN:9787030296504
《医学影像和医学图像处理》作者: 刘惠//郭冬梅//
邱天爽//赵一平//刘向等出版时间: 2013-10-01ISBN号: 9787121217050 出版社: 电子工业
《医学成像与医学图像处理教程》作者:田捷,代晓倩,杨飞著出版社:清华大学出版社出版时间:2013-02-01ISBN:9787302307891
联系方式
办公室
电话
邮箱
木兰楼 B429
18201855201
[email protected]/ [email protected]
主页:
http://naoce.sjtu.edu.cn/index.php/menuxysz/menufjs/1337.html
www0.cs.ucl.ac.uk/staff/X.Zhuang/zxhproj.html (软件)
www0.cs.ucl.ac.uk/staff/X.Zhuang (UCL)
http://icrc.sjtu.edu.cn/xueshutuandui/fujiaoshou/77.html (ICRC)
74