Wprowadzenie do analizy obrazów medycznych
advertisement
Wprowadzenie do analizy obrazów medycznych [email protected] Łukasz Trzciałkowski 1 Wstęp • Promienie X stanowiły jedyną metodę obrazowania medycznego na początku ubiegłego wieku. Była to metoda płaskiego obrazowania. • Ostatnie 20 lat zaowocowało znacznym postępem w obrazowaniu medycznym, dwu i trójwymiarowym. • Metody znane na dzień dzisiejszy to: – – – – – – – Tomografia Komputerowa Promianiami-X (X-ray CT) Mammografia Rezonans Magnetyczny (MRI) Optical Fluorescence Imaging Jedno Fotonowa Tomografia Komputerowa (SPECT) Tomografia Emisji Pozytronowej (PET) Ultradźwięki [email protected] Łukasz Trzciałkowski 2 Wstęp c.d. • Powstanie tych metod pociągnęło za sobą odpowiednio: – Projektowanie nowych urządzeń i wyposażenia do pozyskiwania i gromadzenia danych – Opracowanie metody digitalizacji obrazów pozyskanych – Opracowywanie metod obróbki obrazów pozyskanych przy użyciu nowych urządzeń – Nie doprowadziło to jednak do oddalenia się od starych metod, nadal są stosowane. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 3 Podział ze względu na źródło energii [email protected] Łukasz Trzciałkowski 4 Znaczenie nowoczesnych systemów • • • • Niezmiernie ważne w diagnozach i leczeniu Wzrost jakości pozyskiwanych obrazów Wzrost skuteczności wykrywania schorzeń Głębsze poznanie procesów fizjologicznych i organów ciała [email protected] Łukasz Trzciałkowski 5 Jak to działa ? • Systemy obrazujące wyposażone są w urządzenia emitujące promieniowanie oraz urządzenie skanujące które dokonują pomiarów przepuszczając pewien sygnał przez ludzkie ciało. (np. promienie X, ultradźwięki). • Sygnał na wyjściu jest tym samym promieniowaniem zawierającym informacje o badanych organach i tkankach Przechodząc przez tkanki i organy wiązka promieniowania osłabiana jest i w takiej ”osłabionej” postaci dociera do odbiornika/detektora gdzie jest zapisywana. • Sygnał ten jest przetwarzany na obraz [email protected] Łukasz Trzciałkowski 6 Jak to działa ? c.d. Medycyna Nuklearna • Wprowadza się do ciała pacjenta niewielkie ilości farmaceutycznych związków radioaktywnych o krótkim czasie rozpadu. • Następuje emisja promieniowania z wnętrza ciała, które wyłapywane jest i po przetworzeniu umieszczane na obrazie. • Umożliwia to skuteczniejsze pozyskiwanie informacji o tkankach, narządach i funkcjach fizjologicznych. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 7 Pytania jakie należy sobie zadać • Zanim dokona się wyboru źródła energii oraz metody obrazowania należy zadać sobie pytania: • Jaką informację chcemy uzyskać z ludzkiego ciała ? • Jakie schorzenie chcemy badać ? • Czy jest to cecha anatomiczna, fizjologiczna czy funkcjonalna ? • Jakiej jakości obrazu potrzebujemy ? • Różne metody stosuje się w zależności od rodzaju badania. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 8 Przykład • Do badania piersi możemy użyć każdej z metod: ultradźwięków, rezonansu magnetycznego, medycyny atomowej, czy mammografii przy użyciu promieni X, jednak ta ostatnia właśnie nadaje się do tego najlepiej ze względu na prostotę, przenośność i niski koszt. • Wynika to z tego że jedyną istotną w tym przypadku informacja jest obecność komórek rakowych lub jej brak i nie potrzebujemy obrazów o wysokiej rozdzielczości. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 9 Wniosek • Zatem można powiedzieć: • NIE MA UNIWERSALNEJ METODY OBRAZOWANIA dla każdej z dziedzin medycyny i każdego przypadku schorzenia • Każda metoda posiada pewne ograniczenia wynikające z takich czynników jak: – Źródło energii – Sposób reagowania wiązki energii z tkankami ciała – Długość fali wiązki energii – Subtelność fizjologii pacjenta – Czułość detektora (urządzenia pomiarowego) – Zdolność detektora do wykrywania prawdziwych informacji [email protected] Łukasz Trzciałkowski 10 Czym jest Mammografia ? • Sposób obrazowania używający małych ilości promieni X do badania piersi. Obraz może zostać zapisany na kliszy (mammograf standardowy) bądź oglądany na monitorze stacji roboczej (mammograf cyfrowy). • Mammografia odgrywa kluczową rolę w szybkim wykrywaniu zmian rakowych piersi, nawet do dwóch lat przed odczuwaniem ich przez pacjentkę. • Proces całego badania zajmuje około 30 minut. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 11 Mammograf [email protected] Łukasz Trzciałkowski 12 Zdjęcie z mammografu [email protected] Łukasz Trzciałkowski 13 Tomograf Komputerowy (CT) • TK wykonuje pomiary przy użyciu niewielkich dawek promieni X z różnych kątów dookoła ciała, a następnie przetwarza zebrane informacje komputerowo aby ukazać w przekroju tkanki i organy. • Jest on bardzo użyteczny, ponieważ jest w stanie ukazać różne typy tkanek: płuc, kości, tkanek miękkich i naczyń krwionośnych z dużą dokładnością. • Umożliwia łatwiejszą diagnozę: raka, chorób serca, urazów kostnych, a nawet chorób zakaźnych • Jest to najlepsze dostępne narzędzie do badania klatki piersiowej i brzucha, pozwala na określenie dokładnego położenia i rozmiarów ewentualnego guza i komórek rakowych. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 14 Tomograf Komputerowy (CT) • Dzięki wynikom uzyskanym z Tomografu możliwe jest zminimalizowanie „procedur inwazyjnych” do wnętrza ciała podczas wszelkiego rodzaju biopsji. • Dokładnie ukazuje najmniejsze kości, mięśnie i naczynia krwionośne – co czyni go niezastąpionym w przypadku urazów rąk, nóg. • Używany jest do wykrywania osteoporozy, urazów wątroby i śledziony oraz głowy. • Podczas jednego „obrotu” wykonywane jest 1000 obrazów, które podlegają rekonstrukcji. To sprawia że Tomograf jest bardzo dokładny. • Tomograf Spiralny jest inną odmianą Tomografu komputerowego. (czas kompletnego skanowania to około 30 sekund) [email protected] Łukasz Trzciałkowski 15 Tomograf Komputerowy (CT) [email protected] Łukasz Trzciałkowski 16 Tomograf Komputerowy (CT) [email protected] Łukasz Trzciałkowski 17 Ultradźwięki - Sonograf • Sonograf wysyła fale dźwiękowe do wnętrza ciała, które odbijają się od wewnętrznych organów i wychwytywane przez wyspecjalizowane urządzenia w celu stworzenia obrazu części anatomicznych. • Obraz może być oglądany w czasie rzeczywistym, luba nagranym w sekwencji wideo, co pozwala na dostrzeżenie zachowań narządów wewnętrznych oraz przepływu krwi. • Jest użytecznym narzędziem do badania serca, wątroby, pęcherzyka żółciowego, śledziony, trzustki, nerek. • Szczególną rolę odgrywa w przypadku chorób serca, umożliwia oglądanie pracy serca w czasie rzeczywistym, więc łatwiej jest wykryć stany przed i pozawałowe [email protected] Łukasz Trzciałkowski 18 Ultradźwięki - Sonograf [email protected] Łukasz Trzciałkowski 19 Ultradźwięki - Sonograf [email protected] Łukasz Trzciałkowski 20 Rezonans Magnetyczny (MRI) • Rezonans Magnetyczny używa fal o częstotliwościach radiowych oraz silnego pola magnetycznego do wykonywania szczegółowych zdjęć wewnętrznych organów i tkanek. • Ma on szeroki zakres w badaniu schorzeń wszystkich części ciała. Serce, układ krwionośny, układ kostny, mięśnie, stawy. • Szczególnie doceniany jest przez sportowców, z łatwością wykrywa urazy kolana, kostki, łokcia nadgarstka – nawet te najsubtelniejsze. • Umożliwia badanie organów jamy brzusznej i katki piersiowej, a w ostatnim czasie staje się konkurencyjny dla mammografii piersi. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 21 Rezonans Magnetyczny (MRI) • W przeciwieństwie do metod opartych na działaniu promieniami X, rezonans magnetyczny używa pola magnetycznego oraz nizkich częstotliwości radiowych w celu wzbudzenia i uwolnienia protonów wodoru zawartego głownie w wodzie. • Zatem MRI ukazuje różnice w zawartości wody w poszczególnych tkankach. Różne tkanki tego samego organu mogą być w łatwy sposób odróżniane • Typowe obrazowanie MRI składa się z 2-6 sekwencji obrazujących trwających 15-45 minut [email protected] Łukasz Trzciałkowski 22 Rezonans Magnetyczny (MRI) [email protected] Łukasz Trzciałkowski 23 Rezonans Magnetyczny (MRI) [email protected] Łukasz Trzciałkowski 24 Tomografia Emisji Pozytronowej (PET) • PET – jest metodą obrazowania medycznego z użyciem wewnętrznego źródła promieniowania. Przed rozpoczęciem badania do krwioobiegu pacjenta wprowadzana jest radioaktywna substancja (glukoza woda amoniak) przygotowana w wyspecjalizowanym urządzeniu zwanym „cyclotrone”. • Różne kolory lub poziomy kwantyzacji na obrazach odpowiadają różnym poziomom aktywności tkanek. (glukoza). Komórki rakowe wchłaniają więcej glukozy niż normalne tkanki dzięki czemu są zauważalne łatwy sposób. • Umożliwia badanie układu krwionośnego, serca, głowy, wykrywanie komórek rakowych. • I etap 30-60 minut, II etap 30-45 minut [email protected] Łukasz Trzciałkowski 25 Tomografia Emisji Pozytronowej (PET) [email protected] Łukasz Trzciałkowski 26 Tomografia Emisji Pozytronowej (PET) [email protected] Łukasz Trzciałkowski 27 Tomograf Emisyjny Pojedynczego Fotonu (SPECT) • SPECT : Jest złożoną metodą badawczą umożliwiającą wizualizację przepływu krwi w mózgu i metabolizmu. Używany jest tu radioaktywny izotop który z łatwością wychwytywana jest przez komórki mózgu. Niewielka ilość tego związku podawana jest dożylnie, po czym wraz z krwią wędruje do mózgu, gdzie wnika do komórek. • W czasie rozpadu, izotop uwalnia energię w postaci promieniowania Gamma . Promienie gamma sygnalizują lokalizację związku w strukturach mózgu. Specjalne czujniki odbierają owe promieniowanie i na ich podstawie generowany jest trójwymiarowy obraz mózgu. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 28 Tomograf Emisyjny Pojedynczego Fotonu (SPECT) [email protected] Łukasz Trzciałkowski 29 Tomograf Emisyjny Pojedynczego Fotonu (SPECT) [email protected] Łukasz Trzciałkowski 30 Pięć kroków do uzyskania użytecznych informacji • 1) Zrozumienie sposobów obrazowania • W zależności od tego co chcemy zobrazować (cechy statyczne lub fizjologiczne) musimy wybrać odpowiedni sposób obrazowania. Np. do obrazowania tkanek odpowiednie są metody wykorzystujące zewnętrzne źródło promieniowania, natomiast do przepływu krwi i innych funkcji fizjologicznym stosownym jest zastosowanie wewnętrznego źródła promieniowania. • Ma to ogromny wpływ na uzyskany efekt na obrazie, nieodpowiedni wybór sprawiłby trudności w diagnozie i analizie uzyskanego obrazu. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 31 Pięć kroków do uzyskania użytecznych informacji • 2) Fizyka obrazowania • Istnieją dwa sposoby na obrazowanie (emisja i absorpcja), różnią się one na tyle, że trudno jest zaobserwować te same poziomy anatomiczne w obu przypadkach, dlatego istotny jest wybór odpowiedniej metody. • SPECT i PET – słaby kontrast, mało detali • CT (X-Ray) – ostre krawędzie, wysoka rozdzielczość • MR – wysoka rozdzielczość i szczegółowość, oraz doskonały kontrast tkanek miekkich [email protected] Łukasz Trzciałkowski 32 Pięć kroków do uzyskania użytecznych informacji • 3) Urządzenie obrazujące • Jeden z najważniejszych czynników określających jakość obrazu w terminologiach „stosunek sygnału szumu”. Wybór urządzenia bezpośrednio wpływa na zdolność obrazowania (rozdzielczość, dostateczna ilość pozyskanych danych). • Mała czułość, niska efektywność i długi czas obrazowania mogą istotnie wpłynąć na pojawianie się przekłamań na obrazie. • Odpowiednie dobranie urządzenia podnosi skuteczność i jakość cech obrazowanych powodując łatwiejszą i precyzyjniejszą diagnozę. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 33 Pięć kroków do uzyskania użytecznych informacji • 4) Metoda pozyskiwania danych • Odgrywa ważną rolę w tworzeniu obrazu. Odpowiednio dobrana dla wybranego urządzenia stanowi decydujący czynnik w uzyskaniu najlepszych rozdzielczości. Kluczowym jest również aktywne filtrowanie i przetwarzanie uzyskanego obrazu w celu eliminacji „przekłamań”. • Czas skanowania jest zwykle proporcjonalny do jakości i rozdzielczości uzyskanych obrazów. Dłuzsze skanowanie = lepsza jakość. • W przypadku np. przepływu krwi niestety nie jesteśmy w stanie uzyskać zatem dobrych rozdzielczości, ponieważ krew jest w ciągłym „ruchu” [email protected] Łukasz Trzciałkowski 34 Pięć kroków do uzyskania użytecznych informacji • 5) Przetwarzanie obrazu i jego analiza • Metody analizy i przetwarzania są nastawione na uwydatnianie informacji diagnostycznych by usprawnić ręczne oraz wspierane komputerowo interpretacje obrazu. • Pewne transformacje obrazu podkreślają szczególne elementy obrazu. • Inteligentne przetwarzanie obrazu może pomóc w poznaniu procesów fizjologicznym towarzyszącym pewnym rodzajom schorzeń. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 35 Ogólne diagnozy Zaobserwowanie schorzenia na obrazie TruePositive Stwierdzenie choroby dodatkowymi testami Zaobserwowanie schorzenia na obrazie FalsePositive Wykluczenie choroby dodatkowymi testami Brak widocznych oznak schorzenia na obrazie TrueNegative Stwierdzenie choroby dodatkowymi testami Brak widocznych oznak schorzenia na obrazie FalseNegative Wykluczenie choroby dodatkowymi testami [email protected] Łukasz Trzciałkowski 36 Analiza i przetwarzanie obrazów biomedycznych • System analizy i przetwarzania obrazów biomedycznych składa się z trzech podstawowych części: • 1) Systemu pozyskiwania obrazów • 2) Komputera • 3) Środowiska do przetwarzania oraz wyświetlania obrazów [email protected] Łukasz Trzciałkowski 37 1) System pozyskiwania obrazów • Zamiana sygnału biomedycznego lub promieniowania na postać obrazu cyfrowego w formie tablicy liczb, by ułatwić komputerom przetwarzanie oraz wyświetlanie ich w celu diagnozy i oceny obserwowanego schorzenia (dwu lub wielo wymiarowy obraz) • Różnorodność systemów pozyskiwania obrazów w zależności od sposobu obrazowania np. wyposażenie w skaner potrzebny do procesu digitalizacji kliszy fotograficznej (promienie-X, mammografia) • Połączenie mikroskopu z kamerą cyfrową w celu uzyskania dodatkowych obrazów w formie cyfrowej, które mogą zostać poddane późniejszej analizie [email protected] Łukasz Trzciałkowski 38 2) Komputer • Duża pamięć dyskowa do magazynowania obrazów i późniejszej obróbki • Możliwość analizy obrazów • Przetwarzanie obrazów w czasie rzeczywistym • Uwydatnianie i wyostrzanie obrazów • Mapowanie (udostępnianie danych i obrazów) • Wprowadzanie skali pseudo-kolorów jako współczynnik kwantyzacji pikseli na obrazie • Analizowanie histogramów [email protected] Łukasz Trzciałkowski 39 3) Środowisko do przetwarzania obrazów • Podgląd obrazów po przetworzeniu • Różnorodność aplikacji w zależności od systemu obrazowania (rozdzielczość, ilość poziomów kwantyzacji, ilość kolorów, podział ekranu, porównywanie obrazów, itp.) • Podłączenie urządzeń wyjścia – monitory, drukarki • Moduł do przetwarzania obrazu w czasie rzeczywistym umożliwiający przy użyciu wbudowanych funkcji na szybkie manipulacje obrazem • Główny moduł do przetwarzania obrazu pozwalający na zaawansowane modyfikacje obrazu i jego gruntowną analizę [email protected] Łukasz Trzciałkowski 40 3) Środowisko do przetwarzania obrazów c.d. • Np. w dziedzinie radiologii wymagane jest szybkie i elastyczne środowisko do manipulowania interesującym obszarem obrazu (zoom, konwersja do pseudo-kolorów) w celu dokładniejszej analizy • Dodatkowe buffory pełniące istotną rolę podczas modyfikacji obrazu (nie traci się oryginalnego obrazu) np. LUT – Look UP Tables • Porty wejścia umożliwiające obsługę aplikacji przy użyciu klawiatury, myszy i tabletu [email protected] Łukasz Trzciałkowski 41 Obecne systemy analizy obrazu • Obecne systemy są realizowane przy użyciu technologii klient serwer. Główny komputer (host) jest połączony z pomniejszymi jednostkami które komunikują się z nim równolegle co umożliwia jednoczesne przetwarzanie kilku obrazów i efektywną komunikację. • Host wyposażony jest w bazę danych i jednostki do przetwarzania obrazów, co jeszcze bardziej ułatwia pracę w takim systemie w czasie rzeczywistym [email protected] Łukasz Trzciałkowski 42 Podsumowanie • Kluczowym elementem systemu jest odpowiednio dopasowany i zaprojektowany moduł do przetwarzania obrazów oraz wiedza na temat metod ich pozyskiwania i przetwarzania. • Stworzenie odpowiednich algorytmów przetwarzających obrazy i wprowadzenie ich do aplikacji. • Ulepszanie systemu i wprowadzanie inteligentnych wspieranych komputerowo analiz obrazów. [email protected] Łukasz Trzciałkowski 43 Referencje • Mammograf – http://www.df.unipi.it/~delogu/FISMED/FMdir/digmamm.html – http://www.stjosephsimaging.com/departments.php?D=10&S=0 • Promienie X – http://pain.health-info.org/Pain%20Pages/xray.htm – http://www.rhunt.f9.co.uk/X-Ray_Gallery/XRay_Gallery_Page2.htm • Ultradźwięki – http://www.drsmart.com/ultrasound_equipment.php – http://catalog.nucleusinc.com/generateexhibit.php?ID=10394 • Tomografia Komputerowa – http://www.strokecenter.org/pat/diagnosis/ct.htm – http://ampat.amu.edu.pl/przyp/case41/18742CT3.htm [email protected] Łukasz Trzciałkowski 44 Referencje • Inne – http://www.radiologyinfo.ca/default.aspx?page=59&lang=enus – strona poświęcona większości stosowanych obecnie metod pozyskiwania obrazów medycznych [email protected] Łukasz Trzciałkowski 45 Dziękuję za uwagę! [email protected] Łukasz Trzciałkowski 46
